UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS
FACULTAD DE TECNOLOGÍA CARRERA ELECTROMECÁNICA
DISEÑO DE UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO PARA UN AUTOBÚS DE LA EMPRESA DE TRANSPORTE
OMAR
Proyecto de Grado presentado para la obtención del Título de Licenciatura
POR: ROGER BASILIO BUSTOS HUAMPO
TUTOR: M.Sc Lic. MARCO ANTONIO AUZA DE BEJAR
LA PAZ - BOLIVIA Agosto, 2019
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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS
FACULTAD DE TECNOLOGÍA CARRERA ELECTROMECÁNICA
Proyecto de grado:
“
DISEÑO DE UN SISTEMA DE AIRE
ACONDICIONADO PARA UN AUTOBÚS DE LA EMPRESA DE TRANSPORTE OMAR”
Presentado por: Roger Basilio Bustos Huampo
Nota literal:………..
Nota numeral:………..
Director de carrera de electromecánica: M.Sc Ing. Marco Antonio Romay Ossio
Tutor: M.Sc Lic. Marco Antonio Auza De Bejar Tribunal: Ing. Víctor Hugo Cisneros Espinoza Tribunal: Lic. Richard Villalba Caro
Tribunal: Lic. Oscar J. Trino Camacho
LA PAZ - BOLIVIA Agosto, 2019
iii DEDICATORIA
A todas las personas que colaboraron de forma directa o indirecta para que este proyecto se lleve a cabo. El apoyo mi familia fue siempre incondicional, así como también lo fue la colaboración de mis docentes en la aclaración de conceptos y construcción de directrices para la finalización de este proyecto.
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AGRADECIMIENTOS
A mi tutor M.Sc Lic. Marco Antonio Auza De Bejar por su constante apoyo y orientación para la culminación del presente proyecto.
A mi madre Ofelia por su inagotable dedicación en la educación de sus hijos y su visión en el aprendizaje, sin el cual este proyecto hubiera sido imposible realizar.
A mi padre Hilarión por enseñarme que la lucha por una sociedad más justa es parte indispensable en la vida de todo ser humano.
A mi hermana Mariela por enseñarme que la constancia y dedicación en un objetivo primordial trae consigo frutos y recompensas.
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“DISEÑO DE UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO PARA UN AUTOBÚS DE LA EMPRESA DE TRANSPORTE OMAR”
INDICE
RESUMEN ... 1
CAPITULO I ASPECTOS GENERALES ... 2
1. INTRODUCCIÓN ... 2
1.2 ANTECEDENTES ... 2
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ... 3
1.3.1 Identificación del problema ... 3
1.3.2 Formulación del problema. ... 5
1.4 OBJETIVOS. ... 5
1.4.1 Objetivo general. ... 5
1.4.2 Objetivos específicos. ... 5
1.5 JUSTIFICACIÓN ... 6
1.6. LIMITES Y ALCANCES. ... 6
1.6.1 limites ... 6
1.6.2 Alcances ... 6
CAPITULO II MARCO TEÓRICO ... 7
2.1 Acondicionamiento del aire ... 7
2.2 Condiciones del aire ... 8
2.3 Estándares de confort... 9
2.4 Primera ley de la termodinámica ... 9
2.4.1 Ciclo de refrigeración ... 9
2.4.1 La segunda ley de la termodinámica ... 10
2.4.1.1 Ciclo de Carnot invertido ... 10
2.5 Parámetros ambientales ... 11
2.5.1 Temperatura ... 11
2.5.2 Humedad relativa ... 12
2.5.3 Velocidad del aire ... 12
2.5.4 Ventilación ... 12
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2.6 Equipos de acondicionamiento de aire para autobuses ... 13
2.6.1 Condensador ... 13
2.6.2 Evaporador ... 14
2.6.3 Compresor ... 14
2.6.4 Válvula de expansión... 15
2.7 Refrigerante R134 a ... 15
2.8 ELEMENTOS DE PROTECCION DE UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO ... 16
2.8.1 PRESOSTATO. ... 16
2.8.2 TERMOSTATO. ... 16
2.8.2.1 TIPOS DE TERMOSTATO. ... 17
2.8.3 MANÓMETROS DE BAJA Y ALTA PRESIÓN. ... 18
2.8.4 FILTRO. ... 19
2.9 Características particulares del autobús ... 20
2.9.1 Sistemas de control de temperatura ... 20
2.9.2 Accionamiento ... 20
2.9.3Embrague electromagnético ... 20
2.9.4 Panel de control ... 21
CAPITULO 3 INGENIERIA DEL PROYECTO... 23
3.1 PARÁMETROS DEL PROYECTO ... 23
3.1.2 Parámetros para el diseño del sistema de aire acondicionado del autobús ... 23
3.1.3 Descripción del autobús... 24
3.1.3.1 Carrocería ... 24
3.1.3.2 Revestimiento interno ... 25
3.1.3.3 Revestimiento externo ... 25
3.1.3.4 Paredes ... 25
3.1.3.5 Techo ... 25
3.1.3.6 Piso ... 25
3.1.3.7 Ventanas y parabrisas ... 25
3.1.3.8 Capacidad ... 26
3.2 PARÁMETROS CLIAMATOLOGICOS ... 26
vii
3.3 RESISTENCIA TERMICA DE LOS MATERIALES ... 28
3.4 FUNDAMENTOS DE LA CONVECCIÓN PARA EL PROYECTO ... 29
3.4.1 MECANISMO FÍSICO DE LA CONVECCIÓN ... 30
3.4.1.1Número de Nusselt ... 30
3.4.1.2 Modulo de Prandtl (Pr) ... 31
3.5 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMISION DE CALOR DEL AUTOBÚS ... 31
3.5.1 CALCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN …… 42
a) PISO ... 42
b) VIDRIOS ... 43
c) TECHO ... 43
d) PAREDES ... 44
e) PUERTA ... 46
3.6 CARGA DE REFRIGERACIÓN ... 47
3.6.1 INTRODUCCIÓN ... 47
3.6.2 CARGA SENSIBLE: ... 48
A1: Calor por unidad de tiempo devido a la radiación solar a través de ventanas ... 48
A2: GANANCIA DE CALOR SOLAR DEBIDO A TRAVÉS DE PAREDES, TECHO Y PISO ... 50
A3: GANANCIA DE CALOR SENSIBLE DEBIDO AL AIRE DE INFILTRACIONES ... 51
A4: CALOR SENSIBLE GENERADO POR LAS PERSONAS QUE OCUPAN EL AUTOBÚS ... 52
A5: CARGA POR ILUMINACIÓN ... 53
3.6.3 CALOR LATENTE ... 54
B1) CARGA LATENTE POR INFILTRACIONES ... 54
B2: CARGA LATENTE POR ACUPANTES ... 55
3.7 RESUMEN DEL CALCULO DE CARGAS ... 57
3.8 SELECCIÓN DEL EQUIPO ... 60
3.8.1SELECCIÓN DEL EQUIPO DE AIRE ACONDICIONADO A SER UTILIZADO ... 60
3.8.2 EQUIPO SELECCIONADO TIPO TECHO (ROOFTOP) ... 61
3.8.3 CARACTERÍSTICAS DEL COMPRESOR ... 63
3.9 DISEÑO DE SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE ... 64
viii
3.9.1 CONSIDERACIONES GENERALES PREVIAS AL DISEÑO DE LOS DUCTOS . 65
3.9.2 DISEÑO DE LOS DUCTOS ... 68
3.9.3 DIAMETRO EQUIVALENTE ... 70
3.9.4 CAUDAL Y VELOCIDAD ... 70
3.9.5 CALCULO DE PERDIDA DE CARGA POR ROZAMIENTO ... 71
3.9.6 CAÍDA DE PRESIÓN DEBIDO A LOS ACCESORIOS ... 71
3.9.7 PRESIÓN ESTÁTICA ... 71
3.10 MONTAJE DEL EQUIPO ... 75
CAPITULO 4 COSTOS ... 77
4.1 INTRODUCCIÓN ... 77
4.2 COSTOS DIRECTOS ... 77
4.2.1 Costos de diseño y de mano de obra... 77
4.2.2 Costos de materiales y equipos ... 77
4.2.3 COSTOS DIRECTOS TOTALES... 78
4.3 COSTOS INDIRECTOS ... 78
4.3.1 GASTOS ADMINISTRATIVOS ... 78
4.4 COSTO TOTAL ... 79
4.4.1 COMPARACIÓN DE COSTOS DE EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO EN EL MERDADO BOLIVIANO……….80
CAPITULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 82
5.1 CONCLUSIONES ... 82
5.2 RECOMENDACIONES ... 83
BIBLIOGRAFÍA ... 84
WEBGRÁFIAS ... 85
ANEXOS ... 86
ANEXO A ... 87
ANEXO B ... 92
ANEXO C ... . 107
ANEXO D ... 128
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“DISEÑO DE UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO PARA UN AUTOBÚS DE LA EMPRESA DE TRANSPORTE OMAR”
RESUMEN
El desarrollo de este proyecto surge por la necesidad de brindar un aire ambiente de calidad a los pasajeros de un bus, para lo cual se ha decidido implementar un equipo de climatización de aire en el interior del bus, principalmente de enfriamiento del aire, para complementar el sistema de calefacción existente.
El sistema de aire acondicionado se aplica para extraer, por el sistema de retorno de aire, el exceso de calor y malos olores producidos en el interior del bus (debido a factores como la iluminación interior, la actividad humana, las infiltraciones, la radiación solar) y entregando por los ductos de distribución aire fresco a una determinada temperatura y humedad que brinden condiciones de bienestar a los pasajeros.
El estudio desarrollado para el presente proyecto involucra el cálculo de las cargas de enfriamiento, tomando en cuenta todos los aspectos que intervienen en las ganancias de calor, siguiendo la norma ASHRAE y otras fuentes confiables para el tratamiento de aire y sus aplicaciones.
También se explica la utilización y aplicación de las cartas psicométricas con el fin de determinar la potencia que los equipos deben tener para que los mismos trabajen en determinada locación.
Posteriormente se indican todos los equipos con la capacidad necesaria para obtener un ambiente de comodidad, así como también el diseño de los ductos, la cantidad de material para su fabricación y el número de boquillas de salida totales necesarios para la distribución de aire tratado térmicamente en el interior del bus
Finalmente se da a conocer los costos involucrados para la implementación de los sistemas de aire acondicionado en el autobús.
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CAPITULO I ASPECTOS GENERALES
1. INTRODUCCIÓN
En el presente proyecto se realizara el diseño de un sistema de aire acondicionado para un autobús, brindando temperatura, pureza del aire, velocidad y humedad que podemos traducir en una sola palabra que es el confort o bienestar térmico.
Para cumplir con este objetivo, analizare las dimensiones del bus, las cargas de enfriamiento así como otras características de diseño, y haciendo una énfasis en las condiciones exteriores e interiores del bus. Que determinaran la capacidad del equipo de acondicionamiento de aire a usarse en el bus.
Que será usado en el transporte de pasajeros entre las ciudades del eje troncal que son:
LAPAZ- COCHABAMBA-SANTA CRUZ.
1.2 ANTECEDENTES
Bolivia es un país donde se encuentra todos los climas desde el tropical en los llanos, hasta el polar de las altas cordilleras, muchos lugares del país presentan climas irregulares a lo largo del año, esto influye al momento de trasladarse de un lugar a otro debido al relieve geográfico que presenta el país y las diferencias de temperatura.
La empresa de transporte Omar, es una empresa que se dedica al transporte de pasajeros ya hace 15 años circulando las rutas de LAPAZ- COCHABAMBA-SANTA CRUZ y otras.
La mayoría de la población ase el uso de un medio transporte, para trasladarse distancias largas, generalmente asen el uso de un autobús.
Los autobuses forman parte de nuestra vida, desde que el desarrollo y extensión de las ciudades ha conducido a un distanciamiento, pero a los autobuses no solo se les exige que nos desplacen de un sitio a otro, también queremos hacerlo de forma confortable.
El autobús al ingresar a la zona de los llanos no sufre ninguna alteración debido a su diseño, pero no así en los seres humanos sufren alteraciones en sus sensaciones metabólicas, a causa de un incremento de temperatura.
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Las temperaturas altas causan deshidratación en el organismo cuando superan 37 ºC a raíz de eso el cuerpo humano empieza a sentir fatiga entre los 39 ºC y 40 ºC.
Por este motivo se han incorporado sistemas de aire acondicionado en los autobuses, para que nos refresquen en las zonas tropicales y semi-tropicales.
El mantenimiento de un clima interior que sea satisfactorio fisiológica e higiénicamente, es de vital importancia para el diseño de una instalación de aire acondicionado, destinado al confort ambiental de las personas.
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
1.3.1 Identificación del problema
En nuestro país existe una diversidad de condiciones climáticas debido a sus regiones altiplánicas, subtropicales, tropicales, cálidas y húmedas los pasajeros al trasladarse de una región a otro por medio de un autobús, experimentan alteraciones en sus sensaciones térmicas, debido al variación de temperaturas que existe en estas regiones como ser La paz-Cochabamba- Santa Cruz y considerando las diferentes temperaturas que presenta estas regiones, se da la necesidad de implementar un sistema de aire acondicionado para el confort de las personas.
La importancia de la calidad del aire en la acción de respirar obliga a un contacto permanente entre el aparato respiratorio y el medio ambiente. Esta relación es imprescindible para la vida, aunque nos hace vulnerables a la acción de los contaminantes suspendidos en el aire que respiramos.
El CO2 dióxido de carbono es uno de los contaminantes más habituales y que más afectan a la salud humana controlar su presencia en lugares cerrados es de mucha importancia, el CO2 en altas concentraciones al 6.5% que se da generalmente en los autobuses que no poseen un sistema de acondicionamiento del aire, producen en el cuerpo humano irritabilidad, mareos y sudoración excesiva.
4 EFECTO
CAUSA
FIGURA I. ÁRBOL DE PROBLEMAS DEL EFECTO OBSERVADO FUENTE: ELABORACÍON PROPIA
La concentración de gases orgánicos en los ambientes del autobús provoca malestar en los pasajeros como
consecuencia de un aire de mala calidad
SERVICIO DE AIRE AMBIENTE DE MALA CALIDAD
IRRITACION, FATIGA Y DOLORES DE CABEZA EN LOS PASAJEROS
CONSENTRACION DE CO2 Y OTROS GASES
EN EL INTERIOR DEL AUTOBUS
AIRE CONTAMINADO
FALTA DE SERVICIO DE VENTILACIÓN FALTA DEL SERVICIO DE
AIRE ACONDICIONADO
5 1.3.2 Formulación del problema.
Se podrá proporcionar un aire ambiente de calidad en el interior del autobús instalando un equipo de aire acondicionado, indicando que la respiración que realizan los pasajeros en un ambiente cerrado por más 70 minutos con exposición del 6.5% de CO2 anhídrido carbónico, sin olvidar el efecto de las temperaturas elevadas que se manifiesta en las regiones por donde transita el autobús origina malestar en los pasajeros y por lo tanto el servicio es deficiente.
1.4 OBJETIVOS.
1.4.1 Objetivo general.
Diseñar y seleccionar un equipo de aire acondicionado para proporcionar un ambiente confortable y saludable en el interior de un autobús modelo MARCO POLO; basándose en las recomendaciones de la normatividad en aire acondicionado.
1.4.2 Objetivos específicos.
Diseñar e implementar un sistema de aire acondicionado para producir un tratamiento de aire en el ambiente en un autobús de tal manera que se controle simultáneamente la temperatura, pureza, humedad, ruido y distribución del aire para satisfacer las
necesidades del pasajero. Manteniendo una temperatura 24 ºC en el interior, así como una humedad relativa del 55%.
Compilar información necesaria para establecer la base teórica del proyecto y los datos para la ingeniería del proyecto.
Determinar las características generales de un sistema de aire acondicionado.
Calcular las cargas térmicas
Seleccionar los componentes del sistema del aire acondicionado.
Calcular las perdidas por fricción en las tuberías
Determinar costos de los equipos.
6 1.5 JUSTIFICACIÓN
El cuerpo humano reacciona a los estímulos térmicos tratando de mantener constante la temperatura media del organismo (Tc = 37ºC), esta temperatura depende del equilibrio dinámico que se establece entre el calor producido por el cuerpo y el medio que le rodea.
Si la temperatura corporal tiende a aumentar, el organismo reacciona dilatándose, con el fin de ofrecer mayor superficie de intercambio, si a pesar de ello temperatura continua aumentando se produce sudoración de modo que se evacua el calor por evaporación y su consecuencia una deshidratación del cuerpo.
La inhalación del CO2 (dióxido de carbono), en ambientes cerrados provoca mareos, irritabilidad y otros síntomas que afectan al ser humano, es de suma importancia tratar al aire.
Debido al clima excesivamente caluroso y tropical en la zona de los llanos en temporada de verano, se requiere diseñar e implementar un sistema de aire acondicionado a un autobús;
creando un ambiente confortable, saludable, otorgando aire limpio y fresco; de tal forma que se controle su temperatura, humedad, limpieza y distribución para responder a las exigencias del espacio climatizado.
1.6. LIMITES Y ALCANCES.
1.6.1 limites
El proyecto no tomara en cuenta el sistema de calefacción ya que el bus cuenta con el servicio, centrándose únicamente en el sistema de aire acondicionado.
El diseño del sistema de aire acondicionado es exclusivamente para un autobús con carrocería Marco polo y chasis Mercedes Benz, posición del motor en la parte trasera con una capacidad de 46 pasajeros más el conductor.
1.6.2 Alcances
El proyecto a diseñar brindara un servicio de calidad, del aire ambiente cuando el autobús traslade pasajeros de un punto a otro en zonas tropicales, semi-tropicales, valles y parte del altiplano.
7 CAPITULO II MARCO TEÓRICO
2.1 Acondicionamiento del aire
El acondicionamiento del aire ha hecho posible que el hombre pueda vivir bajo condiciones climáticas difíciles. La calefacción implica mantener una temperatura mayor que la de sus alrededores, mientras que ventilación implica el suministro de aire atmosférico y el cambio de aire en un espacio interior en cantidad suficiente para satisfacer las condiciones de vida.
El concepto de aire acondicionado o acondicionamiento del aire en un espacio definido implica la creación y mantenimiento de una atmósfera que tenga condiciones de temperatura, humedad, circulación de aire y pureza tales que se produzcan los efectos deseados por los ocupantes de ese espacio o materiales que serán ahí almacenados. Por eso puede llamarse acondicionamiento del aire al control simultáneo de los cuatro factores dentro de los límites convenientes para producir comodidad y salud a los ocupantes o cuando dichas condiciones puedan tener mejores productos industriales durante su fabricación y almacenamiento.
El acondicionamiento del aire fue creado para generar confort y controlar los productos y maquinarias industriales. Por lo tanto cuando en invierno se calentaba el aire, producía cargas de estática al ambiente por lo cual se producían perdidas industriales de refrigeración, razón por la cual se empezó a humidificar el aire reduciendo la posibilidad de la estática. Para el verano se utilizó la deshumidificación del aire para poder controlar la absorción de humedad.
El desarrollo del aire acondicionado ha permitido la creación de mejores condiciones de comodidad. La función más importante del aire acondicionado para producir comodidad es el abatimiento de temperatura, sea o no necesaria la deshumidificación. Un sistema de refrigeración es, por lo tanto, un auxiliar de los sistemas de aire acondicionado en donde es necesario tener temperaturas mayores o menores según sea la necesidad según la temperatura de la atmósfera.
Correctamente empleando el término acondicionamiento de aire significa, controlar la temperatura, velocidad del aire, humedad y la pureza del aire que respiramos y en el que vivimos.
Para que un sistema de acondicionamiento lleve a cabo su función en forma adecuada debe operar en forma simultánea y continua sobre las magnitudes siguientes:
8 a) Temperatura
b) Humedad
c) Velocidad
d) Pureza
2.2 Condiciones del aire
El acondicionamiento del aire como proceso consiste en tratar de modo que queden reguladas simultáneamente su temperatura, su humedad, su pureza y su distribución, a fin de que cumplan las condiciones exigidas por el espacio acondicionado en cualquier época del año.
Obtener una carga de enfriamiento es por lo general, más costoso que un de calentamiento, el tamaño de la unidad necesaria se determina con exactitud calculando el área que se ha de acondicionar.
El aire acondicionado comprende calefacción, refrigeración, humidificación, des humidificación, ventilación, limpieza de impurezas y circulación del aire. La composición volumétrica del aire puro se establece dentro de los siguientes parámetros
Oxigeno………. 20,99%
Anhídrido carbónico…0,44%
Nitrógeno………78,03%
Vapor de agua………..variable Otros gases………0,04%
Impurezas: humos de sulfuros, ácidos, polvos, cenizas, microorganismos, etc.
La cantidad de vapor de agua en el aire varia de lugar y de acuerdo a las condiciones atmosféricas locales, siendo normalmente de 1% de la masa de la mezcla. El diseño de las cargas de enfriamiento y calentamiento se define en la norma ASHRAE Handbook Fundamentals. Estas pueden ser basadas en el número de pasajeros sentados (para largas distancias) o también incluye un número de pasajeros parados (para cortas distancias), usualmente cerca del 50% de pasajeros parados posibles. La medida del CO2 para un control
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de calidad de aire no está prácticamente en estas aplicaciones (buses) debido a la extrema variación de los niveles del mismo.
2.3 Estándares de confort
La mayor parte del diseño de sistemas de acondicionamiento de aire fue creado para el confort de las personas ya sean que vivan en ambientes calientes, fríos o inclusive ambos. El cuerpo humano es una máquina de generar calor al procesar sus alimentos, el cual es continuamente liberado al medio ambiente determinando si la persona siente frío o calor.
Uno de los principales factores para el confort húmedo es la calidad del aire el cual tiene se refiere al grado de pureza del mismo, la cual empeora por la presencia de contaminantes como olores, humo o partículas de polvo.
2.4 Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica parte de un principio que rige estrictamente cuando hablamos de energías que es “La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. En el campo del acondicionamiento del aire, calefacción y ventilación este principio también influye mucho en especial cuando se lo enuncia como un equilibrio de energía. El enunciado en este caso de energía agregada al sistema menos la energía eliminada del mismo. Cuando nos referimos a un sistema hablamos de un cuerpo o grupo de cuerpos encerrados en un espacio determinado para el cual se puede determinar el flujo de energía que entra o sale.
Ev = Ec - Es Donde:
Ev: Variación de la energía almacenada en el sistema Ec: Energía que se agregó o entra al sistema
Es: Energía que sale o se elimina del sistema
2.4.1 Ciclo de refrigeración
Existen dos presiones en el ciclo básico de refrigeración por compresión, la de evaporación o de baja presión, así como la de condensación o de alta presión, el refrigerante actúa como
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medio de transporte para mover el calor del evaporador al condensador, donde es despido a la atmosfera o a alguna agua de enfriamiento, en el caso de los sistemas enfriado por agua.
2.4.1 La segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica establece que un proceso ocurre en cierta dirección, no en cualquiera. Un proceso no ocurre a menos que satisfaga tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica. Los cuerpos que pueden absorber o rechazar cantidades finitas de calor en forma isotérmica se llaman depósitos de energía térmica o depósitos de calor.
El trabajo se puede convertir directamente en calor, pero no se puede convertir en trabajo sino únicamente por medio de dispositivos llamados maquinas térmicas, la eficiencia térmica de una maquina térmica se define como:
Donde:
QL es la cantidad de calor de la maquina
Qh es la cantidad de calor suministrada a la maquina
2.4.1.1 Ciclo de Carnot invertido
El ciclo de Carnot invertido, es considerado como el modelo perfecto y ejemplo de un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, cual opera entre dos temperaturas y en cual, se considera un aprovechamiento máximo posible dentro de un proceso cíclico. Como es un ciclo ideal y totalmente reversible (se puede invertir sus procesos), pudiendo considerarlo también como un ciclo de refrigeración de Carnot.
El ciclo de Carnot invertido es el patrón base de comparación, para evaluar un ciclo real de refrigeración.
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La refrigeración comprende el funcionamiento de mantener una temperatura menor que la de los alrededores. Por lo que se requiere de una continua absorción de calor a un bajo nivel de temperatura, efecto que se da por la evaporación del líquido bajo un proceso de estrangulación del mismo. El vapor que se genera tiene que regresar nuevamente a un estado líquido para disipar el calor absorbido y nuevamente ser evaporado. Esto se logra por uno por medio de la compresión y la condensación. (CENGEL, 2007)
FIGURA: ciclo invertido de Carnot (TS)
FUENTE: juanproaño-tecrefrio.com
2.5 Parámetros ambientales
2.5.1 Temperatura
La temperatura que siente una persona en el medio que le rodea no es directamente la temperatura del aire, si no también está influenciada por las temperaturas de las superficies que conforman el local.
El cuerpo intercambia calor con el ambiente por los mecanismos de convección pero al mismo tiempo intercambia calor con todos los cerramientos a través de los procesos de radiación. Por este motivo se define como temperatura resultante o temperatura operativa (t0) de un recinto a aquella temperatura que deberían tener, tanto como las paredes, para que el cuerpo humano intercambie por convección y radiación, igual cantidad total de energía que en la situación real.
CENGEL Y., “Termodinámica”, Mc Grawn Hill, 2007
12 2.5.2 Humedad relativa
El valor de la humedad relativa afecta poco al confort de las personas, tiene importancia si se dan humedades altas combinadas con altas temperaturas, ya que en esos casos se dificulta la capacidad de sudoración, pero estos valores están alejados de las zonas de trabajo habituales en instalaciones de climatización.
2.5.3 Velocidad del aire
La velocidad del aire influye en la capacidad de transmisión de calor por convección, si la velocidad del aire es alta se producen enfriamientos de zonas del cuerpo localizadas (tobillos, nuca, etc.) que crean sensaciones de disconfort.
Por estos motivos la distribución del aire en los locales debe realizarse a velocidades bajas. En general se estipula 0.1 m/s en invierno admitiéndose hasta a 0.2m/s en verano.
2.5.4 Ventilación
Para evitar la sensación desagradable que produce el aire vaciado es necesario introducir cierta cantidad de aire exterior que se llama de ventilación. En la práctica, esta operación se hace mesclando aire del exterior con aire precedente del espacio a acondicionar. La cantidad de aire exterior que se utiliza en la mescla, es el estrictamente necesario para producir una renovación conveniente del aire en el espacio acondicionado.
Existen tablas ya definidas por ASHRAE, organización que realiza múltiples experimentos a través de los años, estas tablas se muestran y serán analizados en el cálculo del aire de ventilación establecido. (Air Condición, 2006)
El rango de ventilación efectiva por pasajero es generalmente un poco más elevado que el suministro nominal mecánico y varía con el tipo de vehículo, el largo, las puertas abiertas y el número de pasajeros.
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2.6 Equipos de acondicionamiento de aire para autobuses
El objetivo de una unidad de aire acondicionado es proporcionar un clima confortable en el recinto del autobús considerando la temperatura y humedad relativa del aire. Cada equipo está constituido básicamente de 4 conjuntos.
2.6.1 Condensador
El condensador es un componente fundamental en el aire acondicionado, se encarga de convertir el vapor en líquido
Situado en el techo y orientado para delante de la carrocería
FIGURA : Unidad de climatización termo EURO FRIO tipo techo para autobuses FUENTE: http://Globa.EUROFRIOElectric.com/
ASHRAE, “Ashrae Handbook Fundamentals”, 2009, Capítulo 9, página 9
14 2.6.2 Evaporador
Básicamente está constituido por dos serpentinas que trabajan en paralelo, al final de los cuales se encuentran en tubo receptor sobre la cual está instalada la válvula de seguridad.
FIGURA : Evaporador EURO-FRIO exclusivo para autobuses.
FUENTE: www.actecmax-vac.com
2.6.3 Compresor
Al compresor se le considera el corazón del sistema de refrigeración, y su función es aumentar la presión desde el nivel de la presión de aspiración hasta el nivel de la presión de descarga. Situado en el área del motor, sea en la parte trasera o delantera dependiendo del chasis.
FIGURA : compresor para AUTOBUSES
FUENTE: Bus-air-condición-EURO-FRIO-compresor-tipo.
15 2.6.4 Válvula de expansión
El propósito de un dispositivo de expansión en un sistema de refrigeración, es mantener la diferencia de presiones entre el lado de la presión más baja (evaporador) y el lado de la presión más alta (condensador) para un proceso de refrigeración accionado por un compresor.
Otro propósito de este componente, es el de regular el flujo de refrigerante en combinación con la transferencia de calor en el evaporador. Si la transferencia de calor se incrementa en el evaporador, el flujo másico a través del evaporador deberá incrementar también, en las figuras se ilustran varios tipos de dispositivos de expansión, los cuales se dividen en:
1. Válvula de expansión manual 2. Tubo capilar
3. Válvula de expansión automática 4. Válvula de expansión termostática 5. Válvula de expansión electrónica 6. Válvula flotante de baja presión
2.7 Refrigerante R134 a
El gas refrigerante R134a es un HFC (Hidrofluorocarbono) que sustituye al R12 en instalaciones nuevas. Como todos los refrigerantes HFC no daña la capa de Ozono. Tiene una gran estabilidad térmica y química, una baja toxicidad y no es inflamable, además de tener una excelente compatibilidad con la mayoría de los materiales. El R134a es un refrigerante alternativo al R12, es muy utilizado en el aire acondicionado de los automóviles y en refrigeradores domésticos.
El R-134a es un excelente refrigerante utilizado en una gran variedad de aplicaciones e incluso como componente de muchas de las mezclas HFC existentes en el mercado. Permite trabajar a presiones más bajas que el resto de HFC y es un producto muy eficiente energéticamente para temperaturas positivas y medias.
Aplicaciones:
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· Aire acondicionado del auto.
· Frigoríficos domésticos.
· Enfriadores de agua centrífugos.
· Bombas de calor.
· Cámaras de conservación.
· Transporte frigorífico.
· Refrigeración comercial.
FIGURA 7: Refrigerantes HFC HidroFlurocarbonados.
FUENTE: http://www.refrigerants.com
2.8 ELEMENTOS DE PROTECCION DE UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO
2.8.1 PRESOSTATO.
Son unos aparatos que, activados por presión, tienen la función de abrir o cerrar un circuito mediante uno o varios contactos normalmente ya sea abierto o cerrado. De manera práctica, se puede decir que son unos interruptores eléctricos que funcionan por presión.
2.8.2 TERMOSTATO.
Es el elemento que controla la temperatura de la cámara. Abre o cierra un contacto conectado a un circuito eléctrico cuando alcanza la temperatura de regulación. Se puede decir que es un interruptor o conmutador eléctrico que funciona por temperatura.
17 2.8.2.1 TIPOS DE TERMOSTATO.
a. Termostato electromecánico.
Son termostatos para aplicaciones de refrigeración. La línea de productos de controles de aplicación, comprende termostatos electromecánicos y electrónicos libres de CFC para refrigeradores, congeladores y pequeñas aplicaciones comerciales.
Los termostatos para refrigeración comercial e industrial atienden varias aplicaciones de refrigeración y aire acondicionado, ellos están disponibles para todos los fluidos refrigerantes, así como amoniaco.
Son controles electromecánicos que ofrecen un conmutador de contacto sin voltaje que funciona a la temperatura ajustada y proporciona de esta forma un sencillo control de encendido / apagado.
FIGURA 9: Termostato Electromecánico.
FUENTE: http://www.tecnosealmex.com/controles_industriales.html.
18 b. Termostatos digitales.
Controles de temperatura para refrigeración, de diseño compacto; para montaje en tablero.
Utilizados donde se requiere un adecuado control de la temperatura combinado con otras funciones como ciclos de deshielo en el evaporador.
Existe en el mercado una gama amplia de estos equipos, que para una selección se tendría muchas opciones, facilitando la misma, para poder seleccionar la opción más óptima de acuerdo a las necesidades requeridas.
FIGURA 10: Termostato digital.
FUENTE: http://www.fullgauge.com/es/produtos/temperatura.htm?2650.
2.8.3 MANÓMETROS DE BAJA Y ALTA PRESIÓN.
Nos dan una información muy importante del funcionamiento de las instalaciones, como sabemos, en todo circuito frigorífico hay que distinguir alta y baja presión. Por lo tanto, tenemos un manómetro para alta y otro para baja presión.
Lo que diferencia a un manómetro de alta de uno de baja presión, está en los valores de sus escalas:
En el manómetro de baja presión, suele estar comprendida entre -1/+10 bar
En el manómetro de alta presión, va de 0 a 35 bares.
Se distinguen por sus colores:
El manómetro de baja presión es de color azul.
El manómetro de alta presión es de color rojo.
En todo manómetro hay que distinguir varias escalas:
Una correspondiente a las presiones, y dos o tres más, que corresponden a las
19
Temperaturas de otros tantos fluidos refrigerantes.
FIGURA 11: Manómetros de alta y de baja presión.
FUENTE: http://articulo.mercadolibre.com.ar/MLA-105473536-manifo
2.8.4 FILTRO.
Este tipo de filtro es un filtro deshidratador comercial con extraordinaria capacidad de retención de humedad e impurezas, permitiendo reparaciones más confiables. Compatible con refrigerantes R12, R22, R134a y R404a/507. Apropiados para los aceites POE, PAG y AB.
Características
Máxima remoción de humedad y filtración de impurezas sólidas.
Desecante 100% tamiz molecular.
Compatible con los refrigerantes R12, R22, R134a, R404a/507 y mezclas.
FIGURA 12: Filtro hermético secador de humedad
FUENTE:http://www.equiposyrefacciones.com/productos/?cat=14&paged=5
20 2.9 Características particulares del autobús
2.9.1 Sistemas de control de temperatura
La temperatura del interior del autobús es controlada a través de un panel de control mediante el cual se puede programar la temperatura deseada o el diferencial de la temperatura requerida.
2.9.2 Accionamiento
El compresor es accionado a través de un comando de correas a partir del motor de autobús, a través del embriague electromagnético, cuya bobina es comandada por el panel de control.
2.9.3 Embrague electromagnético
La transmisión de potencia del motor de autobús mueve al compresor a través de las correas y poleas. El sistema eléctrico envía una señal para la bobina que se encuentra montada detrás de la polea del compresor y acopla a un plato de arrastro, que ase trabajar al compresor.
FIGURA 13: embriague electromagnético FUENTE: motors-spring.com
21 2.9.4 Panel de control
Luego que se hayan determinado las cargas térmicas, la carga de enfriamiento necesaria para el acondicionamiento de la edificación y haber seleccionado los equipos según dicha carga se prosigue con el diseño del sistema de control el mismo que operará los equipos bajo las condiciones preestablecidas.
El sistema de control provee la inteligencia de los sistemas electromecánicos el mismo que provoca la reacción de los equipos sin necesidad de la intervención de un operador para satisfacer las necesidades preseleccionadas. El control ocurre cuando una señal produce el movimiento o ajuste de un componente del equipo para obtener un resultado requerido, ya sea ajuste de temperatura o humedad -entre otros- en el caso de acondicionamiento de aire.
Un sistema de control cumple con su trabajo cuando controla por medio del equipo una o más de las siguientes propiedades del medio de transporte que puede ser agua o aire:
Temperatura.- Con sensores que midan temperatura de operación, diferencial de temperatura, o límites de temperatura.
Presión.- Con sensores que midan presión de operación, gradientes de presión o límites de presión.
Flujo.- Con sensores que midan rangos de operación, diferencial de flujo o límites de rangos de flujo.
Humedad.- Con sensores que midan un nivel de operación, diferencial de humedad o límites de humedad.
Velocidad.- Con sensores que controlen el equipo de tal forma que esté prendido, apagado o tenga velocidades variables o múltiples.
Tiempo.- Con un reloj o programa que controle la duración de operación del equipo.
Para poder controlar la capacidad de un sistema de refrigeración, sin duda alguna, uno de los principales puntos es el control de la etapa de compresión. Existen varias maneras de hacerlo, siendo la más común de ellas, dividir la carga total en diferentes compresores para tener distintas etapas de capacidad según sea la carga actual requerida. Esta es la técnica
22
más utilizada por los sistemas de refrigeración de los supermercados, en donde estos conjuntos de compresores paralelos son mejor conocidos como racks.
FIGURA 14: Panel de control
FUENTE: http://www.climabuss.org/members/doc/afif
Para que el sistema de aire acondicionado entre en operación, es necesario accionar el motor del autobús. Al ser accionado el autobús el panel mostrara la versión del software e indicara la temperatura interna del recinto.
Donde los números indican lo siguiente:
1- Renovación del aire 2- Display electrónico 3- Acciona la ventilación 4- Acciona la refrigeración 5- Reduce el set point 6- Aumento del set point
www.climabuss.org/members/doc/afif
www.automotriz.net/images/tecnica/conocimientos-basicos/60/02.
23 CAPITULO 3 INGENIERIA DEL PROYECTO
3.1 PARÁMETROS DEL PROYECTO
3.1.2 Parámetros para el diseño del sistema de aire acondicionado del autobús
Los parámetros principales que deben ser considerados en el diseño del sistema de aire acondicionado para un autobús son:
- Datos de ocupación del autobús (número de pasajeros, distancias de viaje entre paradas obligatorias).
- Dimensiones y propiedades térmicas de los materiales de la carrocería.
- Condiciones ambientales térmicas de los materiales de la carrocería.
- Condiciones de diseño interiores (temperatura, humedad y velocidad del aire).
Las cargas de enfriamiamiento o calentamiento en el autobús de pasajeros pueden ser estimadas sumando el flujo de calor de las siguientes cargas.
- paredes sólidas (paredes laterales, techo y piso).
- Vidrios (ventanas, parabrisas, delantero y posterior).
- Pasajeros
- Motor y ventilación (diferencia de entalpías entre el aire interior y exterior).
Las cargas extremas de invierno y verano deben ser calculadas, la carga de enfriamiento es la más difícil de manejar, la carga de calentamiento es normalmente manejada por el calor recuperado en el motor.
24 3.1.3 Descripción del autobús
3.1.3.1 Carrocería
Un autobús es aquel que cumple ciertas características necesarias para brindar un buen servicio a sus usuarios, ya que a diferencia de un bus urbano, recorre grandes distancias (generalmente más de 150 Km de carretera). Dichas características son: asientos reclinables con mayor espacio entre asientos que los buses convencionales, maletero exterior y maletero interior, televisión y un sistema de tratamiento del aire.
A este tipo de autobuses se los clasifica según sus dimensiones: pequeño, mediano y grande.
Para este proyecto se trata de un bus grande.
FIGURA 15: fotografía del autobús FUENTE: www.trans-omar.com
Autobús marca Marco polo 0371RSD-2060 ensamblado en el Brasil, opción del chasis Mercedes Benz. Posición del motor trasero por concepto constructivo optimizado con perfiles tubulares y perfiles estampados en acero, cincados por inmersión a caliente y soldados. También están siendo utilizados en puntos específicos, aceros especiales posibilitando la reducción de peso.
ASHRAE, “Handbook HVAC Applications”, 2007, Capítulo 9, pág. 9.19 y 9.20 IMETAM (Industria Metal-mecánica MARCOPOLO)
25 3.1.3.2 Revestimiento interno
Disponibilidad de varios tipos de material y colores de revestimientos, atendiendo las especificaciones internacionales de flamabilidad.
3.1.3.3 Revestimiento externo
Frente, trasera y techo en plástico reforzado. Laterales en paneles de aluminio liso encolados.
Portezuelas del maletero en chapas de aluminio encoladas también de aluminio.
3.1.3.4 Paredes
Las paredes son de acero A36, compuestas por un esqueleto de cerchas y planchas, en el interior se coloca moqueta de 2 mm de espesor. Los perfiles utilizados en las cerchas son de tipo omega de 2 mm de espesor y las panchas son de 1.8 mm de espesor.
3.1.3.5 Techo
El techo está compuesto por las mismas cerchas y planchas adicionales con una capa de acrílico en el interior de la carrocería.
3.1.3.6 Piso
El piso se compone de una plancha de refuerzo de acero A36 de 2 mm de espesor, una moqueta de 2 mm d espesor y una plancha antideslizante de acero A36 adaptada únicamente en las gradas y el pasillo del autobús.
Piso plano revestido con alfombra plástica u opcionalmente, alfombra de alta resistencia (PVC) antideslizante.
3.1.3.7 Ventanas y parabrisas
Los datos de las ventanas y los parabrisas son proporcionados por la empresa, estos son de 6 mm de espesor, las ventanas laterales son de tipo seguridad templado y los parabrisas frontal y posterior son de tipo vidrio laminado, cuyo coeficiente total de transferencia de calor es similar al delos vidrios de seguridad templado.
26 3.1.3.8 Capacidad
La capacidad es de 46 pasajeros más el conductor.
3.2 PARÁMETROS CLIAMATOLOGICOS
Para la determinación de la carga acondicionamiento se tomara en cuenta los siguientes parámetros generales:
- Estación: Viru Viru Aeropuerto
- Ciudad: Santa Cruz de Sierra
- Provincia: Andrés Ibáñez
- Latitud: 17º38´55´´ S
-Longitud: 63º08´20´´O
-Elevación: 378 msnm
FUENTE: senamhi
La temporada calurosa dura 6 meses, del 17 de septiembre al 22 de marzo, y la temperatura máxima promedio diaria es más de 29 °C. El día más caluroso del año es el 20 de noviembre, con una temperatura máxima promedio de 31 °C y una temperatura mínima promedio de 21
°C
Fuente: tppc-clima-Bolivia.com.bo
Grafica: Temperaturas máximas del departamento de santa cruz
27
Por lo tanto el proyecto se realiza de acuerdo a la temperatura máxima en verano en la ciudad de Santa Cruz, específicamente el mes de noviembre de 2017 donde se obtiene los siguientes valores:
Temperatura máxima: 31ºC
Temperatura mínima: 18.6ºC
Temperatura de punto de rocío: 19ºC
Velocidad del viento: 11 km/h
Presión a nivel del mar: 14,6015 psi
Humedad Máxima: 78%
Humedad promedio: 56.9%
Humedad mínima: 37%
Fuente: senamhi
Como consecuencia de lo analizado en los apartados anteriores, desde el punto de vista del confort ambiental, a la hora de diseñar el sistema de aire acondicionado para el bus, se adopta los datos de partida establecidos en la tabla 3.1:
Considerando este punto fundamental seleccionamos:
-Temperaturas exteriores de diseño de verano.
Para las 12: 00 hora solar del mes de noviembre en la ciudad de santa cruz de la sierra tenemos (fuente: red solarimetrica FCPN FISICA UMSA anexo C-9)
Bulbo seco: 31ºC
Bulbo húmedo: 26ºC
Las cargas de enfriamiento en autobús de pasajeros pueden ser estimadas sumando el flujo de calor de las siguientes cargas:
- Paredes sólidas (techo, piso)
- Vidrios (ventanas, parabrisas delantero y posterior) - Pasajeros
- Motor
- ventilación
28
Las cargas extremas de invierno y verano deben ser calculadas. La carga de enfriamiento es la más difícil de manejar; la carga de calentamiento es normalmente manejada por el calor recuperado en el motor.
3.3 RESISTENCIA TERMICA DE LOS MATERIALES
A continuación se muestra la siguiente tabla donde se pueden encontrar los materiales principales que componen la carrocería del bus, cada uno con su respectivo coeficiente de conductividad térmica como se muestra en la tabla 3.2.
Tabla 3.2. Materiales principales utilizados en la carrocería del bus y su respectivo coeficiente de conductividad térmica.
No. Material
Espesor (mm) Conductividad térmica k1
Acero A36 2 mm y 1.8 mm44.632
2
Alfombra 2 mm 0,0393
Vidrio templado y vidrio laminado6 mm
0.997
4
Acrílico 5 mm 0.16329
3.4 FUNDAMENTOS DE LA CONVECCIÓN PARA EL PROYECTO
Recuerde que la transferencia de calor en cierta dirección es impulsada por el gradiente de temperatura en esa dirección. No habrá transferencia de calor en una dirección en la cual no hay cambio en la temperatura. Las mediciones de la temperatura en varios lugares sobre la superficie interior o exterior de la pared confirmarán que la superficie de una pared es casi isotérmica.
-
CONDUCCIÓN DE CALOR EN ESTADO ESTACIONARIO EN PAREDES PLANASPor tanto el balance de calor para la pared se puede expresar como:
∫ ∫
Al realizar las integraciones y reacomodar:
- Resistencias térmicas:
Figura: Paret plana
CENGEL Y., “Termodinámica”, tranferencia de calor y masa pg: 133, Mc Grawn Hill, 2009
30
Se inicia el proyecto con una descripción física general de la convección.
A continuación se discuten las capas límite de velocidad y térmica, así como los flujos laminar y turbulento. Se continúa con la discusión de los números adimensionales de Reynolds, Prandtl y Nusselt, y su significado físico. Ecuaciones de la convección sobre la base de la conservación de la masa, de la cantidad de movimiento y de la energía, y se obtienen soluciones para el flujo sobre una placa plana. Entonces se quitan las dimensiones de las ecuaciones de la convección y se obtienen formas funcionales de los coeficientes de fricción y de convección. Por último, se presentan analogía centre la cantidad de movimiento y la transferencia de calor.
3.4.1 MECANISMO FÍSICO DE LA CONVECCIÓN
La transferencia de calor por convección depende con intensidad de las propiedades viscosidad dinámica μ , conductividad térmica k, densidad ρ y calor específico Cp del fluido, así como de la velocidad del fluido ν.
Qconv = hA(Ts-T∞) ( w) ec: 3.4.1 Qconv=h(Ts- T∞) ( w/m2)
Donde:
h = Coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2 .°C As = Area superficial de transferencia de calor, m2
Ts = Temperatura de la superficie, ˚C
T∞ = Temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie, °C
3.4.1.1Número de Nusselt
El número de Nusselt, que se define como:
Donde:
31 K= Es la conductividad térmica del fluido L =Es la longitud característica.
3.4.1.2 Modulo de Prandtl (Pr)
Es la relacion entre los dos espesores de capas limite depende del modulo de prantdl es una agrupacion de propiedades fisicas del fluido.
donde:
Cp: calor espesifico del fluido μ: viscosidad dinamica del fluido k: conductividad termica del material
3.5 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMISION DE CALOR DEL AUTOBÚS
El coeficiente global de transferencia de calor U, se puede definir como una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton. En consecuencia:
Q
x= UA∆T kcal/hr ec: 3.5
Donde ∆T es la diferencia total de temperaturas. El coeficiente global de transferencia de calor se relaciona con la resistencia térmica total:
3.5.1 CALCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
32 Datos:
V =3 km/h =0.830 m/s velocidad del viento (fuente senami) Patm = 495mmhg =0.65 atm= 650845.0 N/m2 (la paz)
ECUACIÓN FLUJO DE CALOR
SEA: Twi= 20 ºC (Ambiente interior del autobús) Temperatura de película :
AIRE
Ambiente exterior del autobus
Δx=50 mm
AIRE
T∞ = 15 ͦ ͦC
h
e Tweh
i TwiAmbiente interior del autobus
Q/A
flujo de calorTi = 22 ºC
ESTRUCTURA DEL AUTOBUS
Ambiente interior del autobús Ti = 22º C
33
Propiedades del aire a 0.7 atm a la temperatura de película ( Tabla A-15):
A temperatura de película: Tfi= 21.5 ºC + 273 = 294.5 K
Calculo de la densidad
COMVECCION NATURAL AMBIENTE INTERIOR DEL AUTOBUS
Coeficiente volumetrico de expanción termica:
Numero de GRASSHOF Tf = 21 ºC
Temperatura de pelicula
Conductividad termica del aire
Numero de Prandtl
34
El numero de grasshof indica la razón de las fuerzas de empuje a las fuerzas viscosas que actuan sobre el fluido.
Numero de Rayliegh
Reemplazando valores:
Numero de Nusselt Para superficies planas :
Nu =
Nu = 0.27* ( 9.60)
1/4Nu = 0.475
35
Coeficiente de conveccion
h
ih
i=
h
i=
CONVECCION FORZADA EN AMBIENTE EXTERIOR:
Rci =
Rk
=
- Igualando ecuaciones del flujo de calor:
Calculando: Twe=?
Twe = 19.9 ºC
Temperatura de pelicula:
Presión atmosferica: ( LA PAZ )
hi = 36.513
𝑚𝑊 𝑘𝑻𝒊 𝑻𝒘𝒊 𝑹𝒄𝒊
𝑻𝒘𝒊 𝑻𝒘𝒆 𝑹
36
Numero de Reynolds
Re = 5.08 *10
7 flujo turbulento Numero NUSSELT
Para Re > 105 ( Debido a que es un flujo turbulento)
NuL=
Nu
L= 48806.7
Tf = 20 ºC Temperatura de pelicula
Conductividad termica del aire
Numero de Prandtl
37
Coeficiente de conveccion:
h
e=
h
e=
h
e=85.69
CORRECCION DE Twe y Twi:
∑
∑
∑
∑
Coeficiente de conveccion externa
∑ 𝑅 𝑚 𝑘 𝑤
38
CORRECCION DE hi y he:
Para convección forzada en el ambiente exterior:
Numero de Reynolds
Re = 4.8 *10
6 flujo turbulento Tf = 15 ºCTemperatura de pelicula
Conductividad termica del aire
Numero de Prandtl
39
Numero NUSSELT
Para Re > 105 ( Debido a que es un flujo turbulento)
NuL=
Nu
L= 1601.75
Coeficiente de conveccion:
h
e=
h
e=
h
e=303.23
Convecciòn natural:
Temperatura de pelicula :
Propiedades del aire a 0.7 atm a la temperatura de pelicula ( Tabla A-15):
A temperatura de pelicula: Tfi= 19.70 ºC
Coeficiente de convección externa
40
Coeficiente volumetrico de expanción termica:
Numero de GRASSHOF
El numero de grasshof indica la razón de las fuerzas de empuje a las fuerzas viscosas que actuan sobre el fluido.
Numero de Rayliegh Tf = 21 ºC
Temperatura de pelicula
Conductividad termica del aire
Numero de Prandtl
41
Reemplazando valores:
Numero de Nusselt Para superficies planas :
Nu =
Nu = 0.27* ( 1817.8)
1/4Nu = 1.763
Coeficiente de conveccion
h
ih
i=
h
i=
Coeficiente de transmision de calor para la ciudad de Santa Cruz y Cochabamba:
hi=54.17
𝑚𝑊 𝑘𝐾𝑐𝑎𝑙
𝑚
42
a)Calculo de (U) coeficiente global de tranferencia de calor el piso del autobus
- Área: 52.8 m2
Figura: estructura del piso Fuente: propia
Figura: Circuito térmico equivalente para el piso (pared compuesta en serie)
CIUDAD
hi he
SANTA CRUZ 𝐾𝑐𝑎𝑙
𝑚 , 𝐾𝑐𝑎𝑙
𝑚
COCHABAMBA 𝐾𝑐𝑎𝑙
𝑚 𝐾𝑐𝑎𝑙
𝑚
43
,
b) VIDRIOS
En esta parte se considera el parabrisas delantero y posterior, así como también las ventanas y el vidrio de la puerta.
Área: 27.80 m2
Estructura: Vidrio templado de 6 mm de espesor, pintado (color claro) con cortinas de tela, para las ventanas laterales (vidrio simple sin recubrimiento);
vidrio laminado de 6 mm de espesor, pintado (color claro), para los parabrisas delantero y posterior (vidrio simple reflectivo de 50% a 80% de la luz que reciben).
Coeficiente global de transferencia de calor:
c) TECHO
Área: 33.80 m2
Estructura: Color azul
44
Figura : Estructura techo del autobús
Figura : Circuito térmico equivalente para el techo (pared compuesta en serie) - Coeficiente global de transferencia de calor:
,
,
d) PAREDES
Area: 92.10 m2
45
Estructura: metalica
Figura : Estructura de las paredes
Figura : Circuito térmico equivalente para las paredes Coeficiente global de transferencia de calor:
,
,
46 e) PUERTA
Área: 1.26 m
Estructura: la estructura de la puerta se conforma por tubo cuadrado de 20 mm y espesor 1,2 mm, y planchas de acero A36 a los costados de 1,8mm de espesor.
Figura: Estructura de la puerta
Coeficiente global de transferencia de calor:
,
Texto consultado, Nestor Quadri, Aire Acondicionado, 6ta Edición, Argentina, 2002 pag.
47
Tabla 3.3: Resumen coeficiente global de transmisión de calor
3.6 CARGA DE REFRIGERACIÓN
3.6.1 INTRODUCCIÓN
Para acondicionar el autobús, de una forma o de otra, hay que extraer calor. Exactamente la misma cantidad de calor por unidad de tiempo que entra, por la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior del autobús, más el calor que este pueda recibir procedente del sol, más el calor por unidad de tiempo en el interior.
Tipo Clase Materiales que conforman
1 Piso Acero A36, alfombra, acero
2 Vidrios Vidrio laminado
3 Techo AceroA36, acrílico
,
4 Paredes Acero A36, alfombra
,
5 Puerta Acero A36, alfombra
48
La carga térmica no es otra cosa que el calor por unidad de tiempo que entra o se genera en el local, por ello es tan importante el cálculo de carga térmica, aunque el objetivo final sea determinar la potencia de refrigeración necesaria de la máquina que ha de producir frio a una determinada temperatura.
En este capítulo expondremos el método para determinar la carga instantánea de refrigeración, no podemos dejar de advertir al lector que hay otros procedimientos más especializados que serían más propios de un manual. Me ha parecido más oportuno colocarlos en los anexos al final del proyecto, para que el capítulo de ingeniería del proyecto sea de lectura más fácil.
El calor que entra como consecuencia de la diferencia de temperaturas se llama calor sensible y, el que entra como consecuencia de la diferencia de humedades, se llama calor latente.
Ambos dependen de una serie de factores que se ira explicando a lo largo del cálculo de cargas. Tanto como la carga sensible como la carga latente se deben a distintos conceptos que se deben calcularse separadamente, de la siguiente manera:
3.6.2 CARGA SENSIBLE:
La carga sensible de enfriamiento es definida como la tasa a la que el calor es removido dentro del espacio acondicionado, manteniendo la temperatura del aire interior constante. La carga latente, es esencialmente una carga de enfriamiento instantánea.
A1: Calor por unidad de tiempo debido a la radiación solar a través de ventanas El calor ganado a través de cristales (ventanas), lo calculamos con:
,
Donde:
Qr,s: calor debido a la radiación a través de cristales kcal/he A: área total de las de los cristales del autobús m2
R: radiación solar unitaria w/m2 (Fuente red solarimetrica boliviana ANEXO:C-9)
