Balance Térmico y Psicrometría: Conceptos y Aplicaciones en Climatización

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Balance Térmico

El balance térmico es un aspecto fundamental en el diseño y la operación de sistemas de climatización. Se basa en el principio de conservación de la energía y permite determinar las ganancias y pérdidas de calor en un espacio determinado.

Ganancias Externas

  • Transmisión - Calor Sensible
    Qt = K (Coeficiente de Transmitancia Térmica) x Sup. x (te - ti)
    Donde:
    Qt: Ganancia de calor por transmisión (Kcal/h)
    K: Coeficiente de transmitancia térmica (kcal/h.m2.ºC)
    Sup.: Superficie (m2)
    te: Temperatura exterior (ºC)
    ti: Temperatura interior (ºC)
  • Radiación - Calor Sensible
    Qr = K x Sup x R
    Donde:
    Qr: Ganancia de calor por radiación (Kcal/h)
    K: Coeficiente de transmitancia térmica (kcal/h.m2.ºC)
    Sup.: Superficie (m2)
    R: Valor que surge de la tabla por la incidencia del sol de acuerdo a la estación del año, los materiales de los cerramientos y la latitud del edificio (Kcal/h.m2)

Ganancias Internas

  • Personas - Calor Sensible + Calor Latente
    Qps = Nº de personas x Kcal/h (sensible) (de tabla por persona según la actividad)
    Qpl = Nº de personas x Kcal/h (latente) (de tabla por persona según la actividad)
  • Iluminación - Calor Sensible
    Qi = Nº Watt (20 a 30 Watts x m2) x 0.86 Kcal/h = Kcal/h Watt
  • Equipos - Calor Sensible
    Qe s = Σ equipos (Sumatoria de la potencia de todos los equipos) x 0.86 kcal/h.watt

Ventilación

Aire Exterior - Calor Sensible + Calor Latente

  • Qs = Ce (0.24 Kcal/KgºC) x V (Volumen del aire, surge de tabla según actividad m3) x Pe (Peso específico del aire 1.14 Kg/m3) x (te - ti)
  • Ql = L (Calor latente del vapor 0.576 Kcal/gr) x V (Volumen del aire, surge de tabla según actividad m3) x Pe (Peso específico del aire 1.14 Kg/m3) x (Me - Mi) (Humedad específica del aire 4.3 gr/kg)

Ganancia de Calor Total: Ganancia por la incorporación de aire exterior + (Ganancias Totales de Calor Sensible + 10%) + (Ganancias Totales de Calor Latente + 5%)

Psicrometría

La psicrometría estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo y el efecto de la humedad atmosférica en los materiales y el confort humano.

Relación entre variables: Al aumentar la temperatura, aumenta la presión y disminuye la humedad.

Datos:

  • Humedad Relativa Interior y Temperatura Interior (Conforman el punto I)
  • Humedad Relativa Exterior y Temperatura Exterior (Conforman el punto E)

Conceptos Clave en Psicrometría

  • Calor: Manifestación de la energía provocada por el movimiento de las moléculas de un cuerpo.
  • Calor Específico (CE Kcal/Kg ºC): Cantidad de calor necesaria para que 1 kg de una sustancia aumente su temperatura en un grado centígrado. El calor específico varía en función de la temperatura y, en los gases, en función de la presión. Su unidad es Kcal/kgºC.
  • Caloría (Kcal): Es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado (1ºC) la temperatura de un kilogramo de agua destilada a presión atmosférica.
  • Calor Sensible (Qs Kcal/hora): Calor que se manifiesta a través de una modificación de la temperatura de una substancia y se mide con un termómetro. La temperatura puede aumentar o disminuir.
  • Calor latente (Ql Kcal/hora): Calor que, suministrado o sustraído de una sustancia, produce un cambio de estado sin variar la temperatura.
  • Calor total (Qt Kcal/hora): Suma de calor sensible y calor latente.
  • Temperatura de Bulbo Seco (TBS ºC): Temperatura que puede leerse con un termómetro común. En el ábaco se lee sobre el eje horizontal.
  • Temperatura de Bulbo húmedo (TBH ºC): Temperatura que se mide con un termómetro común con el bulbo cubierto con un liencillo mojado.
  • Temperatura de Rocío (TR ºC): Temperatura a la cual el vapor de agua contenido en el aire húmedo se condensa y comienza a separarse.
  • Humedad Específica (HE g/kg): Cantidad de agua en gramos, que contiene el aire húmedo por kilogramo de aire seco.
  • Humedad Relativa (HR %): HR = HE específica del aire húmedo / HE aire saturado
  • Entalpía (E Cal/kg): Contenido de calor de aire húmedo. E = Q sensible del aire + Q sensible del líquido + Q latente del agua evaporada
  • Factor de Calor Sensible (FCS): FCS = Q sensible / (Q sensible + Q latente)
  • Volumen específico (VE m3/kg): Inversa del peso específico de aire seco

Procesos en el Ábaco Psicrométrico

  1. Enfriamiento
  2. Calentamiento
  3. Humidificación
  4. Deshumidificación
  5. Enfriamiento y Humidificación
  6. Enfriamiento y Deshumidificación
  7. Calentamiento y humidificación
  8. Calentamiento y Deshumidificación

Ciclo de Acondicionamiento del Aire en Refrigeración

  1. Modificar la temperatura.
  2. Modificar la humedad relativa.
  3. Circular y renovar el aire.
  4. Distribuir el aire dando sensación de bienestar, regulando la velocidad de la salida del mismo en los equipos.

Uso del Ábaco Psicrométrico

  1. Determinación del FCS: FCS = Q sensible / (Q sensible + Q latente) (Se marca en el ábaco)
  2. Determinación de las condiciones de HR y Temperatura en el Interior del Local (Dato) (Conforman el punto I):
    Temperatura: 25ºC
    HR: 50%
  3. Determinación de las condiciones de HR y Temperatura en el Exterior del Local (Dato) (Conforman el punto E):
    Temperatura: 35ºC
    HR: 40%
  4. Se unen en el ábaco los puntos I y E (Nos muestra las variaciones que sufrirá en el ábaco en el proceso de enfriamiento)
  5. Trazado de la recta FCS con el punto P (Punto ya definido en la tabla)
  6. Determinación del punto C (Trazado de la recta paralela P-FCS que parte del punto I e intersecta con la curva del 95% de Humedad Relativa)
  7. El punto C indica la condición límite a la que se puede enfriar el aire tratado, del cual se desprenden los siguientes datos:
    TBS en el punto C
    HR en el punto C
    VE en el punto C
    Entalpía (E) en el punto C
  8. Cálculo del Peso del Aire: W (Kg/hora) = Q sensible (Kcal/h) / CE (0.24 Kcal/kgºC) x (TBS en C - TBH en C)
  9. Cálculo del Caudal de Aire de Mando (CAM m3/hora): CAM (m3/hora) = W (Kg/hora) x VE (m3/kg) en C
  10. Cálculo del Caudal de Aire Exterior (CAE m3/hora): CAE (m3/hora) = Nº de personas x Renovaciones horarias (m3/hora)
    CAE mínimo igual o mayor al 20% del CAM

Renovaciones Horarias Según el Uso del Local

  • Viviendas / Hoteles / Oficinas: 17 a 25 m3/hora
  • Cines / Teatros (donde no hay fumadores): 8 a 12 m3/hora
  • Salas de Conferencias / Restaurantes muy concurridos: 35 a 50 m3/hora
  1. Cálculo del Caudal de Aire Recirculado: CAR (m3/hora) = CAM - CAE
  2. Determinación del punto M (Dada la recta I-E que representa el 100% del aire tratado, marcar en la misma recta el 20% o más correspondiente al CAE y el 80% o menos correspondiente al CAR. En el punto de encuentro entre ambos segmentos se define el punto M, del cual se desprenden los siguientes datos:
    TBS en el punto M
    Entalpía (E) en el punto M
  3. Cálculo del Calor a sustraer del Equipo (Kcal/hora):
    R (Kcal/hora) = W (Peso del aire Kg/hora) x (Entalpía en el punto M Kcal/kg - Entalpía en el punto C kcal/kg)
  4. Cálculo de la Carga de Refrigeración necesaria: R (Kcal/hora) / 3024 Kcal/hora
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