Figura 1: pantalla de programa de selección de equipos; selección de ciudad






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CAPÍTULO 3


  1. DISEÑO DE LAS INSTALACIONES DE CLIMATIZACIÓN

Para el diseño de las instalaciones, primero vamos a establecer los equipos y accesorios necesarios para el acondicionamiento del aire. Ya se determinó que serán equipos de agua helada, sin embargo el sistema completo (chiller, bombas, válvulas, etc.) no se ha señalado aún; para este efecto nos apoyaremos en un programa de selección de equipos, el cual nos ayudará a conocer las capacidades de los chiller de agua helada, las bombas, separadores de aire, y diámetros de tuberías de conexión, para luego entrar al diseño de ductos de suministro y retorno, la selección de difusores y por último los planos.

Para sistemas pequeños, como el nuestro se recomienda instalar un solo chiller para ambas áreas (Neonatos sano y Neonatos no sanos), además que estarán funcionando sin paros en el funcionamiento, o en su defecto con los menores imprevistos posibles.

Al elegir la opción de utilizar un solo chiller se está disminuyendo la cantidad de accesorios, bombas, válvulas que hacen que el costo del proyecto disminuya, además de esto las bombas que se obtienen con sistemas pequeños independientes suelen ser de bajo caudal y con caídas de presión que hacen que trabajen a eficiencias bajas; encareciendo el proyecto; por lo tanto estos son los motivos principales para elegir un solo sistema de chiller y bomba para dos manejadoras de agua helada.

El sistema estará conformado por un chiller que completa la carga de ambas áreas, dos unidades manejadoras de aire o Fan Coil (esto se analizará luego), una bomba de agua helada, un separador de aire y los accesorios necesarios, como medidores de flujo, válvulas de control, medidores de presión de temperatura.

El manejo de este programa es sencillo, al ingresar en el mismo, primero debemos escoger el país, la ciudad y las temperaturas exteriores y de diseño automáticamente se colocan; a continuación un esquema de cómo se ve en la pantalla el programa.


FIGURA 3.1: PANTALLA DE PROGRAMA DE SELECCIÓN DE EQUIPOS; SELECCIÓN DE CIUDAD

Además de escoger el país y la ciudad se pueden escoger otros factores, como suministro eléctrico, tipo de tubería de conexión, etc. Esto es para seleccionar los equipos disponibles en la marca perteneciente al programa, pero es una buena herramienta ya que te provee las capacidades de equipos en las características eléctricas deseadas.

Una vez ingresados estos datos se procede a seleccionar el equipo que se instalará dentro del cuarto. Este será una manejadora de tipo vertical, ya que en el sitio se han considerado cuartos para evaporadores, y además se ha previsto espacio libre entre tumbado y losa no tan amplia como para instalar Fan Coil; con este dato buscamos el ítem correspondiente y lo ingresamos en el programa, entre los equipos que se pueden elegir hay Fan Coil, unidades manejadoras horizontales o verticales, consolas y otros.

Así mismo seleccionamos el chiller se puede escoger de enfriados por agua o enfriados por aire se escogen éstos últimos; además de esta selección se debe escoger qué clase de chiller debido al compresor; ya que los hay reciprocantes, de pistones, centrífugos y de tornillo, para lo cual debemos saber que esto depende de las capacidades que manejan los equipos.

A continuación se muestra una tabla donde se indica los tipos de chiller que generalmente se usan en Aire Acondicionado:
TABLA 23

CAPACIDADES TIPICAS Y TIPOS DE COMPRESORES DE CHILLERS


De aquí que se escoge los de tipo pistones (scroll) por la capacidad que estos manejan, una vez que se ha escogido el tipo de Chiller; se debe unir los elementos con la tubería correspondiente, mientras se realiza este trabajo, se puede colocar la distancia de las mismas además de las pérdidas por recorrido para luego realizar la selección de la tubería dependiendo del flujo y de las pérdidas. El diámetro de las tuberías nos da el programa pero esto también se calcula fácilmente con nuestros conocimientos de Mecánica de Fluidos. A continuación un diagrama de cómo se ve el programa hasta este instante donde solo se ha seleccionado los equipos y dispuestos en un plano.


FIGURA 3.2: ESQUEMA DE DISPOSICIÓN DE EQUIPOS PARA EL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN DE LAS SALAS

En la figura 3.2 se muestra el esquema de ubicación de equipos para las salas de estudio: Chiller, la unidad manejadora de agua, una bomba de agua helada, un separador, y una válvula de tres vías que es la que se conecta al sensor de termostato para controlar temperatura, sin embargo en este esquema no se muestra los demás accesorios como válvulas medidores de flujo, manómetros, medidores de temperatura, etc. En la figura 3.2 faltan las capacidades de los equipos; este paso se lo realiza primero ingresando en las unidades manejadoras la carga de refrigeración calculada en el capítulo anterior, cada equipo simplemente es colocado en el plano de diseño escogiéndolo del panel superior, y en las propiedades de las manejadoras se introducen los datos conocidos que son las capacidades y el programa calcula las capacidades de los demás accesorios.

Por ejemplo; para el área de Neonatos No sanos se obtuvo una capacidad de 64.000 Btu/h aproximadamente; esto lo ingresamos y aplicamos, así mismo para el otro equipo del área de Neonatos sano y automáticamente se calcula las capacidades de los demás equipos.


FIGURA 3.3 PANTALLA DE INGRESO DE CARGA DE REFRIGERACIÓN

Luego de ingresar estos datos se obtiene el siguiente diagrama donde se muestran los datos necesarios para la selección adecuada de los equipos


FIGURA 3.4: ESQUEMA COMPLETO DE LA SELECCIÓN DE EQUIPOS
Con esto tenemos:

  • Un Chiller de 100.000 Btu/h (8.3 TR).

  • Una Bomba de 21.4 GPM [1.35 x10-3 m3/seg)].

  • Un Separador de Aire de 21.4 GPM GPM [1.35 x10-3 m3/seg)].

  • Una Manejadora de Agua Helada 36.000 Btu/h [3 TR.]

  • Una Manejadora de Agua Helada de 60.000 Btu/h [5 TR]

  • Dos válvulas de tres vías

El sistema aún no esta completo ya que debemos introducir los accesorios como medidores de presión, temperatura y demás válvulas para el correcto funcionamiento del sistema, a continuación la figura 3.5 muestra el sistema completo.

FIGURA 3.5: ESQUEMA COMPLETO DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO PARA LAS SALAS DE NEONATOS
Donde los elementos involucrados en el sistema son los indicados en la figura 3.6.



FIGURA 3.6: ELEMENTOS QUE COMPONEN EL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO.

Con esto tenemos establecido las capacidades de cada equipo los accesorios necesarios, aunque nos falta determinar la dimensión de la tubería.

Para realizar los cálculos de dimensionamiento de la tubería de conexión en el sistema se basa en los conocimientos obtenidos en mecánica de fluidos: Se aplica la ecuación de Bernoulli:
ec. (17)

Donde:

P = Presión absoluta [Pa]

Ρ = Densidad de Fluido [Kg/m3]

V = Velocidad del fluido promedio [m/seg]

g = Aceleración de la Gravedad [m2/seg]

z = Altura (H1 y H2 en figura 3.5)

HL, HM = Pérdidas de Energía por fricción y accesorios [m]

α = factor de energía cinética (generalmente igual a 1)
Los subíndices 1 y 2 se refieren a los dos puntos de referencia que se escogen a lo larga del recorrido del fluido dentro de la tubería y necesarios para los cálculos (ver figura 3.7).


FIGURA 3.7: ESQUEMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DE DIÁMETRO DE TUBERÍA
Para nuestro caso los puntos 1 y dos solo tenemos diferencias de alturas, lo que provoca que los términos de velocidad y presiones absolutas se anulen, quedando que la diferencia de alturas corresponde a las pérdidas por fricción y accesorios

ec. (18)
Con esto nos apoyamos en la ecuación de Darcy – Weisbach para las pérdidas por fricción en la tubería:
ec. (19)

Donde:

= Caída de Presión [Pa]

= Factor de Fricción Adimensional

L = Longitud de Tubería [m]

D = Diámetro de tubería [m]

Esta ecuación se presenta en función del cabezal, o sea de la diferencia de alturas referente a la succión y descarga del fluido:
ec. (20)

Donde:

= Pérdida de Presión [m]

El factor de fricción (f) se lo obtiene del diagrama de Moody (Figura 3.6), y es función del número de Reynolds:


FIGURA 3.8: DIAGRAMA DE MOODY

(Fuente Manual Ashrae Fundamentals)
ec. (21)

Donde:

Re = Número de Reynolds [adimensional]

µ = viscosidad Dinámica del Fluido [Pa·s]

Para llegar a obtener los resultados deseados se deben efectuar un conjunto de iteraciones, sin embargo actualmente existen manuales que nos ayudan a escoger la velocidad adecuada y junto con tablas de pérdidas por fricción en tuberías se pueden seleccionar el diámetro adecuado.

A continuación nos referimos a tablas donde se proporcionan valores estándares de velocidades del agua en tubería para típicas aplicaciones:
TABLA 24

VELOCIDADES DEL AGUA BASADA EN ELTIPO DE APLICACIÓN



Traducido de Fuente: Manual ASHRAE Fundamentals
Se escoge el valor apropiado siempre que este dentro del rango de velocidad máxima: 3 m/seg.
De la Tabla 25 de la pérdida de Fricción para agua en tubería de acero cédula 40, se tiene:
TABLA 25

PÉRDIDA DE FRICCIÓN PARA EL AGUA EN TUBERÍAS DE ACERO CÉDULA 40



Fuente: GPM Goulds Pumps
Adicional a la pérdida por fricción debemos tomar en cuenta las pérdidas por válvulas, uniones y accesorios. Para esto es necesaria la siguiente ecuación:
ec. (22)
Donde; K es un factor que depende de la geometría de la válvula, fabricación de la unión, forma del codo o grados que el codo proporciona, etc. este factor se encuentra tabulado; a continuación se presentan dos tablas donde se muestra los valores de K para uniones dependiendo si esta es roscable o soldable, en el ANEXO 8 se muestran gráficos de los factores de pérdida por fricción K en accesorios y uniones.
TABLA 26

FACTOR K DE PÉRDIDA DE FRICCIÓN PARA UNIÓN ROSCABLE EN TUBERÍA DE AGUA


Fuente: Manual ASHRAE FUNDAMENTALS

TABLA 27

FACTOR K DE PÉRDIDA DE FRICCIÓN PARA UNIÓN SOLDABLE EN TUBERÍA DE AGUA


Fuente: Manual ASHRAE FUNDAMENTALS
Todos estos factores pueden ser ingresados en el programa, incluyendo el diámetro de tubería que se obtuvo por la tabla 25 y este automáticamente calcula todas las pérdidas que la bomba de circulación de agua helada debe vencer, en la figura 3.5 se muestran la bomba con una caída de presión en pies de 9.4Ft con estos datos se procede a seleccionar la bomba adecuada.

Una extensión de este mismo programa nos ayuda a seleccionar la Bomba de agua helada y el separador de aire quedando la siguiente selección:


FIGURA 3.9: Selección de Bombas
Según esta selección; la bomba será el modelo indicado con un motor de ¾ HP. El programa nos da varias opciones, sin embargo debemos elegir una que trabaje con la mayor eficiencia posible, el modelo más aceptado por las características que brinda será el IL122, en la figura 3.10 se muestra la curva de funcionamiento de varios modelos y sus características se muestran en el Anexo 10.



FIGURA 3.10: Curva de Funcionamiento de Varios Modelos de Bombas de Circulación


FIGURA 3.11: Bomba de Circulación de Agua Helada Modelo IL122


De la misma forma seleccionamos el separador de aire y se muestra en el Anexo 11


FIGURA 3.12: Selección de Separador de Aire

Con todos estos datos procedemos a mencionar las dimensiones de la tubería de acero cédula 40 necesarias para la distribución del agua helada a través de todo el sistema:

Primero establecemos que el primer circuito será desde el chiller hasta la primera bifurcación que se encuentra después del separador de aire; el circuito 2 corresponde desde la bifurcación hasta la manejadora de 64.000 Btu/h y el tercer circuito corresponde al de la manejadora de 36.000 Btu/h:


FIGURA 3.13: CIRCUITOS PARA DISTINTAS DIÁMETROS DE TUBERÍAS DE AGUA HELADA

De aquí se sabe que:

Circuito 1: diámetro de tubería 1.5” (3.81 cm.)

Circuito 2: diámetro de tubería: 1.25” (3.175 cm.)

Circuto 3: diámetro de tubería: 1” (2.54 cm.)
La cantidad de codos de cada diámetro de tubería se establece al realizar el conteo para establecer los costos del proyecto.

  1. Ductos de Aire Acondicionado



El diseño de ductos de aire acondicionado es un procedimiento sencillo primeramente se debe escoger el método adecuado para esto de acuerdo a las velocidades establecidas en los catálogos y manuales que hacen referencia a esta sección del diseño.



  1. Velocidad de Aire


Para nuestro diseño se partirá con la condición de baja velocidad, según indica la tabla 28, con esto evitamos posibles ruidos ocasionados por velocidades altas y conociendo de antemano que en nuestro caso evitar ruido es una de las principales condiciones.

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