Cap. 1 y 2 Psicro y Diseño

7/21/2019 Cap. 1 y 2 Psicro y Diseño

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Material bibliográfico de Climatización

Maestría en Sistemas Energéticos Avanzados

Tema 1. Procesos y ciclos psicométricos.Tema 2. Condiciones de diseño

Noviembre 2013



Tema 1. PROCESOS Y CICLOS PSICROMÉTRICOS

En toda instalación de climatización o acondicionamiento de aire es de gran importancia evaluar el

comportamiento del mismo, ya que el objetivo de estas instalaciones es el control de los parámetros

de dicho aire en el ambiente de los locales. Por otra parte, es importante a su vez, evaluar el

comportamiento del aire en las instalaciones de climatización o acondicionamiento, porque en

muchos casos el mismo constituye una de las sustancias de trabajo del sistema.

El aire atmosférico está compuesto por una mezcla fija de gases, principalmente: nitrógeno y

oxígeno, incluyendo vapor de agua en cantidades variables.

El vapor de agua siempre se encuentra presente en el aire atmosférico, y es un componente

susceptible a cambiar de estado (liquido vapor ) según el proceso termodinámico al que sea

sometido el aire (lo que altera la composición de este).

Los valores promedios de la fracción gravimétrica para el vapor de agua en el aire atmosférico son

menores que un 1% para climas templados, y bajo condiciones climáticas (naturales) muy adversas,

sus valores nunca serán mayores que un 3%.

Contrariamente a estos valores (relativamente pequeños) el vapor de agua contenido en el aire

ambiente, es una de lo factores más importantes en la relación con el confort humano, y es de gran

importancia en cuanto al efecto que produce en numerosos materiales.

La ciencia que investiga las propiedades térmicas del aire húmedo, mide y controla el contenido de

humedad atmosférica en los materiales y el confort humano, se denomina Psicrometría.

1.1. DEFINICIONES Y NOMENCLATURAS

Se hace necesario para la comprensión de los análisis psicrométricos el conocimiento de las leyes de

los gases y vapores, más no es el objetivo principal de este texto la exposición detallada de este tema

de la Termodinámica, motivo por el cual damos a continuación en forma resumida algunas

definiciones básicas y su nomenclatura.

Llamaremos:

Aire seco a los componentes gaseosos del aire atmosférico.

Aire húmedo a los componentes gaseosos, más el vapor de agua en el aire atmosférico.

Humedad a la cantidad de vapor en la mezcla.

Por otra parte la humedad se evaluará mediante los siguientes conceptos:

Humedad específica (W): cantidad en peso de vapor de agua por unidad en peso de aire seco, es

decir gramos o kilogramos de vapor por kilogramo de aire seco de la mezcla asvasv kg kg okg g // .



Humedad relativa : porcentaje de humedad relativa; es la relación entre la presión parcial del

vapor de agua contenido en la mezcla y la presión parcial de saturación para esta mezcla a una

misma temperatura de bulbo seco, se expresa en tanto por ciento (%).

Temperatura de bulbo seco t ot bs : temperatura del aire registrada por un termómetro cuyo bulbo

se encuentre cubierto por una grasa humedecida en agua expuesta a una rápida corriente de aire, se

expresa en grados Celsius o grados kelvin (ºC o K).

Temperatura de bulbo húmedo t ot bh : temperatura del aire registrada por un termómetro cuyo

bulbo se encuentre cubierto por una gasa humedecida en agua expuesta a una rápida corriente de

aire, se expresa en grados Celsius o grados kelvin (ºC o K).

Temperatura de saturación adiabática t ot sa : temperatura a la cual el agua o el hielo pueden

saturar al aire, evaporándose adiabáticamente dentro de él. Para el caso del aire atmosférico su valores numéricamente igual a la medición de temperatura de bulbo húmedo (corregida si es necesario

por radiación y conducción), se expresa en grados Celsius o grados kelvin (ºC o K).

Depresión de bulbo húmedo bh D : diferencias entre las lecturas de temperatura de bulbo seco y

bulbo húmedo t t ot t bhbs , se expresa en grados Celsius o en grado kelvin (a.C. o K).

Temperatura de punto de rocío pr t : temperatura a la cual el aire bajo condiciones inicialmente

dadas, comenzaría la condensación del vapor de agua al sufrir un proceso de enfriamiento. Es igual

al vapor de agua correspondiente al vapor de la presión parcial de este en la mezcla de aire húmedo,

se expresa en grados Celsius o grados kelvin (a.C. o K).

Depresión de punto de rocío pr D : Diferencia entre las temperaturas de bulbo seco y la

temperatura de punto de rocío pr bs t t , se expresa en grados Celsius o grados kelvin (a.C. o K).

Volumen específico húmedo v : volumen de la mezcla de aire húmedo, expresado en unidad de

masa de aire seco askg m /3 .

Calor específico húmedo ahC : Calor específico de la mezcla de un kilogramo de aire seco y W

kilogramos de vapor, expresado en kiloJoule por kilogramo de aire seco y grados Celsius o grados

kelvin K kg kjC kg kj aa /º/ .

Se calcula mediante la expresión:

C kg kjW C asah º/88,1005,1 (1.1)

Donde: asv kg kg W /



Calor sensible: Calor que produce el cambio de la temperatura de una sustancia. En el caso del aire

atmosférico es el calor añadido o extraído al aire sin que varíe el contenido de humedad cteW .

Calor latente: calor que no afecta la temperatura de una sustancia, pero que produce el cambio de

estado de la misma al ser extraído o añadido. En el caso particular del aire atmosférico es el que

corresponde a los procesos de condensación o vaporación de la humedad contenida en él. El calor

latente de fusión del hielo o del agua es de 335 kJ/kg. El calor latente de evaporación del agua es

2490 kj/kg.

Entalpía i : combinación de energía térmica que representa la suma de la energía interna más el

trabajo a partir de un punto de referencia establecido arbitrariamente. En nuestro caso corresponde a

0ºC (carta psicrométrica), se expresa en kiloJule por kilogramo de aire secoaskg kj / .

Función sigma : valor de la entalpía de la mezcla de aire húmedo menos la entalpía de W

kilogramos de agua (liquida) a la temperatura de bulbo húmedo bht o a la temperatura de saturación

adiabática sat .

1.2. CARTA PSICROMÉTRICA

En la carta psicrométrica se presenta gráficamente la interrelación entre las distintas propiedades del

aire atmosférico, esta interacción se puede ver en la figura 1.1(a) y (b).

Conocidas dos propiedades del aire húmedo puede ser determinada y localizada en la carta su

condición de estado mediante un punto, a partir del cual, pueden obtenerse los valores de las

restantes propiedades sin necesidad de efectuarse cálculos (ver ejemplos 1.2.1).

Ejemplo 1.2.1

Se tiene cierta cantidad de aire cuya temperatura de bulbo seco es de 30 ºC y temperatura de bulbo

húmedo es de 24 ºC. De la carta psicrométrica obtenga los datos que se señalan a continuación:

1. Temperatura de punto de rocío: C t pr º7,21

2. Humedad específica: asv kg kg W /3016,0

3. Humedad relativa: %60

4. Volumen específico: askg mV /883,0 3

5. Entalpía: askg kj /90



Figura 1.1 (a) Carta psicrométrica.

Figura 1.1 (b) Carta psicrométrica.

Estos valores pueden observarse en la figura 1.2.



Además, en dicha carta también pueden ser representados y analizados diversos procesos y ciclos a

los que se somete el aire húmedo, razón por la que constituye un instrumento de trabajo esencial para

el especialista en climatización.

Figura 1.2. Figura del ejemplo 1.2.1.

La carta psicrométrica está construida para condiciones estándares del aire atmosférico a nivel del

mar, y a presión atmosférica (105

Pa); bajo condiciones diferentes, deben hacerse las correcciones

necesarias (tabla 1.1).

En la carta psicrométrica las líneas de entalpía constante y temperatura de bulbo húmedo constante

se presentan bajo la misma línea, realmente la entalpía no es exactamente constante en un proceso desaturación adiabática (o temperatura de bulbo húmedo constante), sino que se aproxima a la

condición de saturación.



TABLA 1.1 CORRECCIÓN POR ALTITUD

Presión

Altura sobre

el nivel del mar

Factor

Pa mm Hg

1 :

10 760 0 1 1

0,97 · 10 735 300 0,967 1, 034

0,95 · 10 725 400 0,953 5 1, 048

0,93 · 10 707 600 0,917 8 1, 074

0,9 · 10 691 800 0,862 1, 100

0,88 · 10 674 1 000 0,887 1, 127

0,83 · 10 632 1 500 0,831 7 1, 202

0,78 · 10 596 2 000 0,784 1, 275

En la carta psicrométrica se muestran las curvas de desviación con respecto a las líneas debht

constante para condiciones no saturadas. En los cálculos normales de acondicionamiento de aire no

se acostumbra utilizar esta corrección; aunque deberá emplearse sin falta cuando se requiera un

cálculo exacto, en este último caso para realizar el balance de la variación de entalpía en un proceso

en el cual varía la humedad específica ( M ), será necesario considerar la entalpía del agua añadida o

extraída, la cual se evaluará como el producto de la cantidad de agua por su entalpía a la temperatura

de adición o extracción.

1.3. PROCESO DE MEZCLA DE FLUJOS DE AIRE

Este es un proceso muy frecuente en climatización, su representación esquemática podemos verla en

la figura 1.3.



Figura 1.3. Mezcla de dos flujos de aire.

Como ejemplo práctico de este proceso de mezcla de flujos de aire podemos citar la mezcla de aire

tomada del ambiente exterior (aire fresco) con aire que se retorna del local climatizado.

La mezcla se realiza casi siempre sin la adición o extracción de calor, el aire húmedo bajo las

condiciones de estado representadas por el punto 1 de la figura 1.3, se mezcla con aire húmedo en el

estado 2 de la misma figura dando como resultado una mezcla en el estado 3.

Aplicando el principio de conservación de la masa podemos plantear dos ecuaciones de balance de

masa.

32 asasas GGG para la masa de aire seco.

y

32 321 asasas GW GW GW para el vapor de agua contenido en el aire.

De esta forma tenemos que:

21 2331 asas GW W GW W

Y

1

2

23

31

as

as

G

G

W W

W W

(1.2)



Similarmente y haciendo uso del principio de conservación de energía:

1

2

23

31

as

as

G

G

ii

ii

(1.3)

De las expresiones anteriores podemos deducir que los puntos correspondientes a los tres estados

deberán encontrarse sobre una misma línea recta sobre un plano cuyas coordenadas serán la masa y

la energía.

La carta psicrométrica es este sistema con coordenadas oblicuas, por lo que podemos establecer el

siguiente principio: “cuando dos corrientes o flujos de aire se mezclen adiabáticamente, la condición

de estado del flujo resultante ha de encontrarse sobre la línea recta que una a las dos condiciones de

estado de los flujos componentes representados sobre la carta psicrométrica, además, su posición

sobre esta recta será tal, que dividirá su longitud inversamente proporcional a la relación entre las

masas de aire seco de los fluidos mezclados”. Esto anterior, facilitará los cálculos de tal forma que

conocidos los puntos 1 y 2, y los fluidos respectivos, el punto 3 podrá ser determinado gráficamente.

En el caso de la figura 1.3 se ha supuesto que el flujo 2 es dos veces mayor que el flujo 1.

Los valores de la entalpía y contenido de humedad de la mezcla son calculados mediante las

expresiones deducidas del balance, la masa y la energía.

as

asas

asaskg kj

GG

GiGii /

21

21 21

3

(1.4)

asv

asas

asaskg kg

GG

GW GW W /

21

21 21

3

(1.5)

Para el cálculo de la bst de la mezcla puede emplearse una expresión similar, o sea:

K oC GG

Gt Gt t

asas

asbsasbs

bs º

21

2211

3

(1.6)

Aunque realmente la expresión (1.6) no es exacta, puede emplearse sin mucha desviación en los

resultados para el aire bajo el intervalo de temperaturas de la carta psicrométrica. En cálculos en los

que se requiera gran exactitud, la temperatura de bulbo seco de la mezcla ha de deducirse a partir de

los valores de entalpía y contenido de humedad.



Cuando en lugar de la masa, se conozca el volumen por unidad de tiempo (V ) (metros cúbicos de

aire por segundo), las expresiones (1.4); (1.5) y (1.6) podrían emplearse con suficiente aproximación

en los cálculos, ya que en la mayoría de los procesos relacionados a la climatización para el confort

las diferencias en densidades del aire son pequeñas.

askg kjV V

iV iV i /

21

22113

(1.7)

asv kg kg V V

W V W V W /

21

22113

(1.8)

K oC V V

t V t V t bsbs

bs º21

211

3

2

3

(1.9)

1.4. PROCESOS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO SENSIBLE.

Estos procesos ocurren cuando el aire fluye a través de una batería de calentamiento (figura 1.4) o

sobre un serpentín de enfriamiento (figura 1.5).

Figura 1.4. Proceso de calentamiento sensible.



Figura 1.5 Proceso de enfriamiento sensible.

En el proceso de calentamiento sensible, la temperatura media efectiva de la superficie decalentamiento representada por el punto C en la figura 1.4 tendrá como único requerimiento que su

valor sea mayor que la temperatura de bulbo seco del aire a la salida de la batería, o sea, Bbsc t t . La

cantidad de calor recibida por el flujo de aire se calcula en función de su variación de entalpía,

deducida a partir de la ecuación (1.10) para aire a .%50º21 yt C bs

KW iiGQ A B

KW t t V Q A B 2,1

donde:

G : Flujo másico de aire (kg/s)

Q : Cantidad de calor recibida por el aire (kw).

B A ii , : Entalpías del aire a la entrada y salida askg kj / .

V : Flujo volumétrico de aire (m3/s).

B A t t , Temperatura de bulbo seco del aire, inicial y final (ºC o K).



El aire al pasar a través de una superficie cuya temperatura es inferior a su temperatura de bulbo seco

se enfría, este proceso será sensible siempre que no se provoque la condensación de la humedad

contenida en el aire, para lo cual, ha de cumplirse que la temperatura media efectiva de la superficie

de enfriamiento sea mayor o igual (casi límite) a la temperatura de punto de rocío del aire entrando.

En la figura 1.5cbst corresponde la temperatura de la superficie de la batería de enfriamiento, de tal

forma que:

bc A pr bsbs t t t

La cantidad de calor extraído al aire se calcula por:

KW iiGQ B A

ó KW t t V Q

B A 2,1

La característica principal en los procesos de calentamiento y enfriamiento sensible es que la

variación de estado del aire, ocurre sobre una línea de contenido de humedad constante cteW .

La variación de las propiedades físicas del aire húmedo en ambos casos se puede deducir de la

representación de los procesos en la carta psicrométrica.

1.5. FACTOR DE DESVÍO (FD)

En los procesos de calentamiento y enfriamiento sensible hemos señalado los requisitos de la

temperatura de la superficie en relación con las condiciones del aire entrando a ella; veamos ahora

que sucede con las condiciones del aire saliendo de la superficie.

Analizando las figuras 1.4 y 1.5 vemos que las condiciones del aire saliendo, representadas por el

punto B tienden a acercarse al punto C , correspondiente a la representación de la temperatura media

efectiva de la superficie. Este grado de acercamiento entre el aire saliendo, y la superficie deintercambio se evalúa mediante el concepto de factor de desvío, el cual se define como la razón entre

la diferencia entre las temperaturas del aire saliente y la superficie, y la diferencia entre las

temperaturas del aire entrando y la superficie, o sea:

AC

BC

t t

t t FD

El factor de desvío ( FD) puede ser definido gráficamente en función de la longitud de las rectas

sobre la carta psicrométrica (figura 1.6).



AC longitud

BC longitud FD

Figura 1.6. Factor de desvío.

El valor del factor de desvío ( FD) está función del diseño de la batería y la velocidad del aire. Puede

considerarse como la fracción del flujo de aire que no entra en contacto con la superficie de

intercambio, saliendo de la batería bajo las mismas condiciones de entrada , y se asume que la

fracción restante (1- FD) alcanza la temperatura media efectiva de la superficie. La mezcla de ambas

fracciones del flujo determinan las condiciones del flujo de aire a la salida; esta suposición

simplificada resulta un método conveniente de análisis del proceso.

En algunos casos suele emplearse en vez del factor de desvío ( FD), el denominado factor de

contacto , siendo ambos valores complementarios, o sea:

(1.14)

(1.15)

El valor de expresado en porcentaje (%) no es más que la deficiencia del proceso.

1 FD

C A

B A

t t

t t



1.6. ENFRIAMIENTO Y DESHUMECTACIÓN.

Uno de los métodos para deshumectar el aire atmosférico, consiste en hacerlo pasar a través de una

superficie de enfriamiento o un lavador de aire, cuya temperatura media efectiva sea inferior a la

temperatura de punto de rocío del aire entrando. El enfriamiento sensible del aire ocurrirá

simultáneamente con la condensación del vapor de agua. El proceso se representa en forma

esquemática en la figura 1.7.

Figura 1.7 Proceso de enfriamiento y deshumectación.

El punto D sobre la curva de saturación corresponde a la temperatura de punto de rocío del aire

entrando a la superficie, cuya temperaturact está representada por el punto C , esta es la temperatura

media efectiva de la superficie, que en este caso suele denominarse como punto de rocío del aparato

( APR).

Las condiciones de salida de la batería (punto B), estarán determinadas por el valor del APR y el

factor de desvío del equipo ( FD). El proceso puede representarse esquemáticamente mediante la

recta AB, aunque realmente responde su comportamiento al de una línea curva, representada en línea

de puntos en la figura 1.7, la curvatura es una consecuencia del proceso de transferencia de calor.



Podemos ver en la figura 1.7 que el contenido de humedad, la entalpía y la temperatura de bulbo

seco disminuyen, y la humedad relativa aumenta. Pudiera pensarse que el incremento de humedad

relativa fuera tal que se alcanzara la condición de saturación %100 , esto no sucede ya que la

eficiencia de la batería de enfriamiento, o el lavador nunca llega a ser de un 100%, o sea, que

siempre existirá un valor para el factor de desvío ( FD).

La cantidad de calor extraído al aire se puede evaluar mediante:

kW iiGQ B AT

A partir de las expresiones deducidas para el aire a %50º21 yt C bs .

kW t t V Q B A sensible 2,1

kW W W V Q B A sensible 2970

donde:

: B A W yW Contenido de humedad en asv kg kg /

Evidentemente:

LS T QQQ

1.7 ENFRIAMIENTO Y HUMECTACIÓN.En estos procesos de enfriamiento y humectación se aumenta el contenido de humedad del aire

mediante agua o vapor, aunque en el presente epígrafe solo desarrollaremos los procesos de

humectación con agua.

Pueden emplearse tres métodos: *

El paso del aire húmedo a través de una cámara de rociado.

El paso del aire sobre una gran superficie de agua.

La inyección directa de agua en forma de aerosol en la corriente de aire moviéndose a

través de un conducto.

Es costumbre hablar de la eficiencia de la humectación o la efectividad del lavador de aire ( E )

en lugar de emplearse el concepto del factor de desvío ( FD) o de contacto . En la figura 1.8 se

presenta el cambio de estado experimentado por una corriente de aire pasando por una cámara de

rociado.



Figura 1.8 Procesos de enfriamiento y humectación.

El punto C representado sobre la curva de saturación corresponde a la temperatura del agua en la

cámara de rociado, en este caso, el agua se suministra a una temperatura a una temperatura mayor

que la BH T del aire entrando a la cámara correspondiente al punto A, la condición del aire a la salida

corresponde al punto B y los puntos A, B y C se encuentran en una misma línea recta.

Ya que la carta psicrométrica es un sistema cuyas coordenadas fundamentales (oblicuas) son la i y la

W la definición más adecuada para la efectividad de la cámara de rociado es:

C A

B A

ii

ii E

(1.18)

ó

C A

B A

W W

W W E

(1.19)

y el valor de l eficiencia de la humectación es:

%100 E (1.20)



En el caso en que el agua rociada es enfriada en vez de calentada, el proceso sigue el

comportamiento A – B1’ , siendo C’ la temperatura del agua fría. La efectividad se calcula de igual

forma:

C A

B A

ii

ii E

'

''

óC A

B A

W W

W W E

'

''

y %'100' E

Si se compara la humectación del proceso AB’ con el AB, se puede observar que la cantidad de agua

incorporada al flujo de aire es menor W W ' . Si la temperatura del agua suministrada a la

cámara de rociado fuera menor que la pr t del aire, se convertiría el proceso en un proceso de

deshumectación, similar al descrito en el epígrafe anterior (1.6) (proceso AB’’ en la figura 1.8).

1.7.1 PROCESO DE SATURACIÓN ADIABÁTICA

Analicemos ahora el caso particular del proceso de saturación adiabática. Para que este proceso

ocurra debe cumplirse que:

a) El agua rociada sea totalmente recirculada, y ningún intercambio de calor se realice en

tuberías y tanques del lavador.

b) La cámara de rociado, tanque y tuberías se encuentren perfectamente aislados.

c) El agua de reposición para compensar las pérdidas por evaporación se encuentre a la

temperatura de saturación adiabática.

Bajo estas condiciones y teniendo el sistema suficiente tiempo para alcanzar la condición de flujo

estacionario, puede asumirse que el cambio de estado del aire sigue una línea de temperatura de

bulbo húmedo constante (ya que el número de Lewis para el aire atmosférico es la unidad).

Realmente el proceso no es a entalpía constante, aunque suele considerarse adiabático, ya que la

variación de entalpía es despreciable en el intervalo de las temperaturas normales para la

climatización. En este caso la efectividad debe ser expresada en función del contenido de humedad

(figura 1.9).



Figura 1.9 Proceso de saturación adiabática.

Para el proceso A-B mostrado en la figura 1.9 la efectividad de la cámara se determina por la

ecuación (1.19):

C A

B A

W W

W W E

'

Como puede observarse, en el proceso existe una variación de la temperatura de bulbo seco del aire,

que puede también emplearse para evaluar (aproximadamente) el valor de la efectividad o la

eficiencia, y que es la más empleada en los cálculos de ingeniería, o sea:

C A

B A

t t

t t E

(1.21)

La forma en que está construida la carta psicrométrica, impide que esta sea una expresión exacta, ya

que las líneas de temperatura de bulbo seco no sin paralelas e igualmente espaciadas, tales

cualidades son exclusivas para la entalpía y contenido de humedad.

1.8 CALENTAMIENTO Y HUMECTACIÓN

Cuando el flujo de aire se hace pasar a través de una cámara de rociado con agua caliente a una

temperatura mayor que la bst del aire, este se calienta y humecta. El aire alcanzará condiciones



cercanas a la de saturación de dependencia de la eficiencia del proceso en la cámara de rociado.

Ejemplos e este proceso se muestran en la figura 1.10.

El proceso1 AB corresponde al caso en que la temperatura del agua es igual a la

bst del aire entrando

a la cámara A, los procesos AB2 y AB3 corresponden a temperaturas mayores del agua suministrada.

1.9 CALENTAMIENTO Y DESUMECTACIÓN

El calentamiento y deshumectación simultáneo de un flujo de aire puede lograrse haciendo pasar este

a través de agentes químicos (sólidos o líquidos). La adsorción o absorción del vapor de agua

contenido en el aire es debida a la menor presión de vapor de agua en el agente utilizado en relación

con la del aire.

La humedad es condensada, liberándose su calor latente; lo que ocasiona el calentamiento sensible

del aire; si no existiera otra fuente de calor el proceso se desenvolvería sobre una línea de entalpía

constante.

Figura 1.10 Proceso de calentamiento y humectación.



Realmente ocurre que las sustancias empleadas rechazan o absorben una cantidad de calor adicional,

llamado calor de adsorción o absorción. En la mayoría de los casos, con sustancias como sílica-gel

(sólido) y glicol-etileno (líquido) se rechaza calor, provocándose un calentamiento sensible

adicional, y el proceso se desarrolla sobre una línea de bulbo húmedo constante tal como se muestra

en la figura 1.11.

Figura 1.11 Deshumectación mediante agentes químicos.

No obstante, recordemos que para nuestros fines prácticos hacemos la consideración de que las

líneas de entalpía y bulbo húmedo constante coinciden.

1.10 PROCESO DE INYECCIÖN DE AGUA.En el caso de la inyección de agua debe cumplirse que el agua suministrada al aire sea totalmente

evaporada, no precipitándose al fondo de la cámara de inyección. Esto se logra con un alto grado de

pulverización del agua, y el suministro de una cantidad de la misma no mayor que un valor

determinado. En la figura 1.12 se muestra lo que sucede cuando ocurre una evaporación total.



Figura 1.12 Proceso de inyección de agua.

El aire entra a la cámara en el estado A y sale en el estado B. La temperatura de suministro del agua

es g t (es importante que se logre la evaporación total) el estado B corresponderá a un punto cercano

a la curva de saturación en dependencia de la cantidad de agua inyectada.

Realizando los balances de energía y masa tenemos que:

as g A B kg kjiii / (1.22)

asv g A B

kg kg mW W / (1.23)

donde:

: g i Entalpía de la masa de agua inyectada.

: g m Masa del agua inyectada.

Conociendo la cantidad de agua evaporada pueden determinarse el contenido de humedad y la

entalpía del aire a su salida de la cámara de inyección (punto B).



En caso de que el agua de inyección se encuentre a 0ºC, no existirá variación de la entalpía, ya que

esta es la temperatura de referencia para entalpía cero en la carta psicrométrica, correspondiendo el

proceso a una línea de entalpía constante AB1.

Si el agua se suministrara a la temperatura de bulbo húmedo del aire entrando, es evidente que el

proceso se efectuaría sobre una línea de temperatura de bulbo húmedo constante AB2 (número de

Lewis igual a uno).

En la figura 1.12 se han representando independientemente y en forma ampliada los procesos AB1 y

AB2 aunque a los efectos prácticos AB1 y AB2 coinciden en una misma línea de entalla constante.

Para el caso en que el aire se suministre a 100ºC podrá verificarse mediante cálculos, que la línea

correspondiente al proceso AB3 se encuentra desplazada en un ángulo de 7º (angulares) con respecto

a la línea de entalpía constante (cuando el agua se inyecta a 0ºC).

Luego de lo visto anteriormente, podemos establecer, con fines prácticos, que se puede representar el

proceso de inyección de agua sobre una línea de bulbo húmedo constante independientemente de la

temperatura a que sea suministrada.

1.11 PROCESO DE INYECCIÓN DE VAPOR.

El proceso de inyección de vapor se analizará de forma similar al proceso de inyección de agua,

mediante las expresiones del balance de masa y energía.

Si kg mv de vapor seco y saturado es inyectado en un flujo de aire en la condición del estado A,

podemos plantear que:

asvv A B kg kg mW W /

asvv A B kg kjiii /

donde:

: B Condición de estado final.

:vm Masa de vapor inyectado.

:vi Entalpía de la masa de vapor.

Conociendo las condiciones iniciales del aire húmedo y el vapor, puede ser determinada la condición

final del aire (siempre que ningún vapor sea condensado). El proceso de cambio de estado se efectúa

cercanamente a la línea de bst constante, de dependencia de la mayor o menor entalpía del vapor

inyectado, siempre que este sea saturado y seco (figura 1.13). Si el vapor es sobre calentado, la bst

del aire se incrementará en dependencia del grado de sobrecalentamiento.



Figura 1.13 Proceso de inyección de vapor.

La condición de límite inferior para vapor saturado y seco, será la de 100ºC a presión atmosférica.

Como límite superior tenemos la condición de vapor saturado y seco a 240ºC y presión de 3 10-6

Pa.

El desplazamiento angular entre los procesos bajo estas condiciones extremas es de un ángulo de 3-

4º (procesos AB1 y AB2 en la figura 1.13). Además la desviación a partir de la línea de bulbo seco del

aire en sus condiciones iniciales es muy pequeña, lo que puede verificarse mediante cálculos (Air

Conditioning Engeeneering , págs. 55 y 56).

Por lo anterior, podemos asumir sin mucho error, que el proceso ocurre sobre una línea de

temperatura de bulbo seco constante.



1.12 FACTOR DE CALOR SENSIBLE

La relación entre le calor sensible y latente intercambiado en un proceso con aire húmedo resulta de

gran importancia en el análisis de los ciclos de climatización, selección del equipo requerido

(superficies de intercambio de calor) y condiciones de operación.

Se define como factor de calor sensible ( FCS ) a la relación entre el calor sensible, y el calor total

intercambio en un proceso dado, o sea:

LS

s

T

S

QQ

Q

Q

Q FCS

(1.24)

donde:

:S Q Caler sensible.

:t Q Calor total.

: LQ Calor latente.

Es evidente que el vapor máximo del FCS es la unidad, cuando LQ es igual a cero, y corresponde a

un proceso de enfriamiento a calentamiento sensible (proceso horizontal en la carta psicrométrica) y

que su valor mínimo cuando S Q es igual a cero corresponde a un proceso de humectación abst

constante (proceso vertical en la carta psicrométrica). Ver figura 1.14 (a).

El valor del FCS está asociado a la inclinación de la dirección del proceso considerado, representadosobre la carta psicrométrica.

Generalmente la escala de valores del FCS se sitúa en la esquina superior derecha de la carta con un

punto de referencia ubicado en los 26,7ºC y 50% , llamado punto de pivote (ver la carta

psicrométrica).

Conocido el vapor de FCS del proceso, se une al punto de pivote con este valor leído en la escala y

se obtiene así una recta de referencia; la paralela a esta recta pasando por una condición de estado

del proceso da la recta de evolución del aire (figura 1.14 (b)).

La utilización del FCS permite que conocida una sola condición de estado correspondiente al

proceso considerado y los valores de S Q y LQ intercambiados, pueda ser representado el proceso

sobre la carta psicrométrica.

1.13 PROCESOS COMBINADOS



Realmente, los procesos explicados, son usados de forma combinada, ya que en el menor de los

casos, puede lograrse con uno solo de ellos, el propósito de la climatización o calefacción de un

local.

Figura 1.14 Factor de calor sensible.

Proceso AB FCS = 0 (humectación a cteT BS ).

Proceso CD FCS = 1 (calentamiento sensible).

Proceso EF FCS = x 10 .



El enfriamiento y deshumectación se combina frecuentemente con un calentamiento sensible; la

saturación adiabática con recalentamiento sensible, etcétera. La necesidad de las distintas

combinaciones estará determinada por el tipo de carga térmica en los locales y la forma o métodos

de contrarrestarla. Esto será explicado con más detalle en el Capitulo 4, lo que sí deseamos señalar,

es que en todos los casos, el análisis de los procesos combinados se basa en el análisis particular de

cada proceso.

De forma general, en la figura 1.15 se muestra un resumen gráfico del comportamiento del aire al

evolucionar en diferentes sentidos sobre la carta psicrométrica.

Figura 1.15 Clasificación de los procesos sobre la carta psicrométrica.



Tema 2. CONDICIONES DE DISEÑO

La selección de las condiciones de diseño exterior e interior del área a climatizar resulta de gran

importancia en la realización de un proyecto, puesto que de ella dependen fundamentalmente los

resultados de la estimación de la carga térmica de los locales, y consecuentemente, la selección más

económica de los equipos y accesorios necesarios para vencer de un modo más eficiente dicha carga.

2.1 CONDICIONES DE DISEÑO EXTERIOR

Se denominan condiciones de diseño exterior a los valores de:

Temperatura de bulbo seco.

Temperatura de bulbo húmedo.

Humedad relativa.

Variación diurna de temperatura.

Velocidad y dirección de los vientos predominantes.

Todos estos valores estarán determinados por las condiciones climatológicas del lugar donde se

encuentre ubicado el local a acondicionar; se hace por tanto necesario, el estudio de diversos factores

meteorológicos que influyen en dichas condiciones.

2.1.1 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES

DE DISEÑO EXTERIOR.

Las variaciones de temperatura, humedad, etc., que ocurren a través de la superficie terrestre se

deben a diferentes factores, que determinan en una localidad dada, un clima particular.

La inclinación del eje de rotación de la tierra respecto a su punto plano de giro en relación al sol, es

uno de los factores que determinan la cantidad de energía solar recibida en un lugar de la superficie

de la tierra y su variación a través de todo el año, la magnitud de este cambio con las estacionesdepende además, de la latitud geográfica.

La geografía de un lugar determina la cuantía en que la energía solar es absorbida por la tierra, en

que cantidad es almacenada y la rapidez con que es rechazada a la atmósfera.

La tierra resulta un buen agente de absorción de los rayos solares, los cuales elevan la temperatura de

la superficie terrestre. El calor absorbido por la tierra será almacenado, una parte de él, en las capas

superficiales de la corteza terrestre, una parte transmitido por convección a la atmósfera y otra se

trasmitirá por radiación nuevamente al espacio.



La mayor parte del planeta está cubierta por agua. El comportamiento de esta ante los efectos de los

rayos solares es diferente al de la tierra puesto que la misma resulta parcialmente transparente a la

radiación, lo cual provoca que la energía se acumule en las profundidades del mar y por tanto, la

temperatura en su superficie no se eleve mucho durante el día respecto a la de la superficie terrestre.

Sin embargo, por la noche, el calor almacenado por la tierra es cedido a la atmósfera con más

rapidez que el del mar, ya que se almacenó menor cantidad de energía en las capas superiores de la

corteza terrestres que en las profundidades del mar, lo que provoca que la temperatura de la

superficie de la tierra sea menor que la de la superficie del mar durante la noche.

De lo visto anteriormente dependen las diferentes climatológicas en zonas de una misma latitud en

dependencia de su ubicación geográfica.

El calentamiento desigual entre la tierra y el mar provoca el movimiento del aire, como resultado de

esto, en la atmósfera ocurren compresiones y expansiones adiabáticas con el consecuente aumento y

disminución de la temperatura del aire. Estos cambios de temperatura pueden ocasionar la formación

de nubes si se alcanzan valores por debajo de la temperatura del punto de rocío.

Las nubes actúan como barrera aislante entre la tierra y sus alrededores, reflejan al espacio una gran

parte de energía solar incidente sobre ella e impiden el paso de las radiaciones infrarrojas emitidas

por la tierra.

Todos estos factores influyen en el balance energético realizado entre la tierra, el espacio y

diferentes zonas de la propia corteza terrestre debido al desigual calentamiento de los mismos en eltiempo, lo cual provoca a su vez la formación de corriente de aire.

En general, el aire fluye desde las altas presiones hacia las bajas presiones debiendo hacerlo en la

línea más recta. Realmente con los vientos no ocurre así, ya que la dirección de los mismos no

depende solo del calentamiento desigual de la tierra, sino que además, depende de otros factores,

entre los que están las desviaciones de las corrientes de aire debido a las fuerzas generadas por la

rotación de la tierra.

La formación del rocío es uno de los factores que determinan las variaciones diarias de las

condiciones atmosféricas de una zona determinada. Como consecuencia del rechazo del calor

almacenado durante el día, en la noche existe un continuo descenso de las temperaturas de la tierra y

del aire en contacto con ella debido a la transferencia de calor convectiva que entre ellos se

establece. En ocasiones, la temperatura de la tierra cae por debajo del punto de rocío y se presenta la

condensación, o sea, el rocío.

De modo general, todos estos factores provocan que exista una variación apreciable de temperatura y

humedad diaria y anualmente.



2.1.2 COMPORTAMIENTO DE LOS PARÁMETROS DEL AIRE EN EL TIEMPO

Como se ha visto, la transferencia de calor por radiación entra la tierra y sus alrededores es reflejada

en los cambios de temperatura del aire; esta variación estará en función de la posición del sol en el

cielo, lo cual quiere decir, que la temperatura del aire variará con el tiempo, por ejemplo con la hora

solar.

Puesto que la superficie de la tierra estará más fría antes de la salida del sol, sin la presencia de

nubes, la tierra durante toda la noche cederá calor por radiación; pero a partir de la salida del sol, la

temperatura de esta comenzará a elevarse, y como consecuencia de ello se almacenará cierta

cantidad de calor.

Después de mediodía la tierra comenzará a ceder por convección a la atmósfera parte de su calor

almacenado y será entonces, cuando el aire alcance su valor máximo de temperatura.

En cuanto al comportamiento de la humedad, se puede suponer que en ausencia de cambios de

tiempo, el contenido de humedad o humedad específica del aire debe permanecer constante, a menos

que se alcance la temperatura del punto de rocío del aire; lo anterior no es estrictamente cierto, ya

que durante el verano la vegetación despide una gran cantidad producto de un proceso de

deshidratación, lo que puede provocar en determinadas regiones, un incremento apreciable de la

humedad específica del aire.

Si se analiza la variación de la humedad relativa con el tiempo (como es lógico), veremos que esta

depende de las variaciones de la temperatura.La humedad relativa aumentará a medida que disminuya la temperatura de bulbo seco del aire; por

ejemplo, durante la noche y producto del rechazo de calor de la tierra puede que la disminución de la

temperatura del punto de rocío, la humedad relativa será 100% y el contenido de humedad de aire

disminuirá producto de la condensación del vapor de agua presente en él.

A la salida del sol comienza a elevarse la temperatura de bulbo seco del aire, disminuyendo su

humedad relativa y evaporándose el rocío a medida que avanza la mañana, si todo el rocío se

evapora, podremos asumir que se tiene el mismo contenido de humedad del día anterior.

A continuación se muestra gráficamente la variación ideal de temperatura de bulbo seco y humedad

relativa del aire durante el día (figura 2.1).



Figura 2.1 Curvas ideales de variación de temperatura y humedad relativa durante el día.

Las estaciones meteorológicas diseminadas en el territorio de cada país permiten evaluar los

parámetros del estado del tiempo con diversos fines.

Puesto que las condiciones ambientales del aire son variables en los días, meses y estaciones del año,

resulta necesario una investigación estadística de las mediciones meteorológicas de la zona climática

en cuestión, para poder establecer sus condiciones de diseño exterior.

La selección de dichas condiciones se debe realizar sobre la base de un estudio racional, técnico y

económico que evite en un momento determinado que la instalación proyectada resulte de capacidad

excesiva, con un alto costo inicial y de operación, o por el contrario, una capacidad insuficiente con

grandes intervalos de tiempo en que no se cumplan las condiciones deseadas en el interior del local.

Para realizar esta investigación se hace necesario el empleo de los conceptos siguientes:

Temperatura promedio máxima y mínima diaria: par obtener estos valores, se realizan mediciones

diariamente tabulándose los máximos y mínimos de temperatura; estos valores son promedios para

cada mes del año y tabulados durante varios años. Al promediar estos valores se obtienen los valores

de temperatura promedio máxima diaria y temperatura promedio mínima diaria para cada mes del

año y lugar particular.

Temperatura promedio máxima y mínima mensual: los valores extremos de temperatura máximos y

mínimos de cada mes son tabulados durante determinado número de años; del promedio de estos

resulta la temperatura promedio máxima mensual y la temperatura promedio mínima mensual.

La diferencia entre las temperaturas promedio máximas y mínimas mensuales define la variación

diurna de la temperatura para los meses de verano o de invierno según el caso. Además, se



determinan de forma similar, promedios de temperatura de bulbo seco, bulbo húmedo, humedad,

etcétera.

Un análisis de la variación horaria de la temperatura durante el día y para los diferentes meses del

año, se realizó para las condiciones climáticas de Ciudad de la Habana con las condiciones

efectuadas por el observatorio de Casa Blanca y durante la recopilación de datos de 39 años (1926-

1964), los resultados obtenidos se pueden observar en las figuras 2.2 y 2.3.

2.1.3 MÉTODOS DE SELECCIÓN DE CONDICIONES DE DISEÑO EXTERIOR

Existen diferentes métodos a emplear para la determinación de diseño exterior, entre estos métodos

está el método de la frecuencia de ocurrencia de las temperaturas horarias, el cual permite la

selección de una temperatura de diseño del aire del ambiente exterior, para una frecuencia de

ocurrencia de la misma que satisfaga los factores técnicos y económicos de la instalación, de acuerdo

con la importancia relativa de cada uno de ellos.

El método anterior está basado en la determinación de la frecuencia de ocurrencia de los valores de

las lecturas horarias de las temperaturas de bulbo seco y humedad del aire ambiente exterior de una

localidad, para las horas de los meses de verano (junio, julio, agosto y septiembre), o de los meses de

invierno (diciembre, enero, febrero y marzo), según se deseen las temperaturas de diseño de verano o

invierno.



Figura 2.2 Variación anual de temperatura de bulbo seco, bulbo húmedo, humedad relativa y

humedad específica del aire en el observatorio de Casa Blanca estudio de 39 años de

observación (1926-1964) (1).

Figura 2.3 Variación diaria de temperatura de bulbo seco, bulbo húmedo, humedad relativa y

humedad específica del aire en el observatorio de Casa Blanca estudio de 39 años de

observación (1926-1964) (1).

La frecuencia de ocurrencia de un valor de temperatura a una dada se encontrará comparando dicho

valor con el de la temperatura medida a la misma hora y serán considerados solo aquellos valores

que coincidan o resulten superiores a la temperatura referida, por tanto si los cálculos de carga

térmica se hacen sobre la base de una temperatura de diseño exterior para una frecuencia de

concurrencia de la misma del n%, los equipos seleccionados de dicho cálculo, serán incapaces de

mantener las condiciones interiores de diseño en un n% de las horas de los meses de verano.

Este método fue utilizado por el ingeniero Gustavo Acosta Marrero y arrojó los resultados que se

muestran en las tablas 2.1 y 2.2.

En el uso de estas tablas debe considerarse las recomendaciones siguientes:



La frecuencia de ocurrencia del 1%, se debe emplear en aquellas instalaciones de climatización

en las que se pida que el tiempo de incapacidad probable del equipo para mantener las

condiciones interiores de diseño sea un mínimo (29h de los meses de verano).

El 2,5% de frecuencia de ocurrencia se utilizará en instalaciones de climatización de confort y

de refrigeración. En este caso el tiempo probable de incapacidad del equipo para mantener las

condiciones interiores es de 73h.

La frecuencia de ocurrencia del 5% (146h de verano) se usará en instalaciones de climatización

y refrigeración donde por razones económicas sea posible tolerar un tiempo mayor de

incapacidad del equipo.







Tabla 2.1 Condiciones climáticas del aire del ambiente exterior de verano de las principales

localidades de la República de Cuba para su aplicación en climatización y refrigeración

(unidades SI)1





Tabla 2.2 Condiciones climáticas del aire del ambiente exterior de invierno de las principaleslocalidades de la República de Cuba.1



Para otras localidades no relacionadas en este trabajo, se pueden hacer interpolaciones con los

valores de las condiciones de diseño de las estaciones meteorológicas más próximas, pero

considerando las posibilidades de microclimas debido a las alturas a las localidades, vegetación,

áreas secas, etcétera.

La corrección debida a la altura de la localidad, se puede considerar como 0,9ºC de reducción por

cada 100m de elevación con respecto a la temperatura de bulbo húmedo esta reducción es de 0,4ºC

por cada 100m.

La temperatura en las áreas rodeadas de edificios y calles (áreas secas) será de aproximadamente 1 ºC

más alta en temperatura de bulbo seco y 0,5ºC mas alta para temperatura de bulbo húmedo que la de

las áreas circundantes con vegetación.

Los resultados de este estudio constituyen solo una norma ramal y no estatal, por lo que

investigaciones más profundas al respecto deben ser desarrolladas por especialistas, para los cuales

estos datos resultarán de gran interés.

Otros de los métodos empleados para la selección de las condiciones de diseño exterior sin el Air

Conditioning and Refrigerating Machinery Association, Inc. (ACRMA) el cual establece que las

temperaturas exteriores de diseño para verano, sean los promedios de diez años de las más altas

temperaturas de bulbo seco y húmedo que ocurran cada año, incluyendo, aquellas que tengan lugar

diez o menos veces al año y las que tengan una duración de menos de tres horas.

El ASMVE Technical Advisory Comité on weather Desig Conditions (TAC 21/2

%) que recomiendaque la temperatura de bulbo seco exterior para diseño de verano, sea el promedio de cinco años de

las más altas temperaturas de bulbo seco que ocurran el 21/2

% o más de las horas de los meses de

verano. Para la temperatura de diseño de bulbo húmedo, este comité recomienda que dicho

porcentaje sea 5 en lugar de 21/2. Cuando no se posean los datos de temperatura de bulbo húmedo, se

aconseja tomar como temperatura de bulbo húmedo de diseño de verano, la que ocurra

simultáneamente con la temperatura de bulbo seco de diseño.

Todo lo que hasta aquí se ha expuesto tiene como objetivo determinar las condiciones de diseño

exterior (verano o invierno) de una zona climática dada (puntos de partida en la estimación de la

carga térmica de un local a climatizar) y luego la selección, proyecto y operación de la instalación

que garantice el ambiente interior de este, bajo las condiciones exteriores más severas.

No obstante, en algunos casos, es conveniente limitarse a estas condiciones de diseño exterior (CDE)

y deben considerarse las variaciones según la hora del día, y mes del año que los niveles del aire

exterior, con el propósito de un estudio más detallado de la carga térmica y por lo tanto, una

selección más estricta de la capacidad y operación de la instalación de climatización con fines al

ahorro de energía.



Estos cálculos (extensos) antes señalados, que años atrás eran prácticamente imposibles de analizar

con fines de proyecto industrial, son fáciles de hacer hoy día con la aplicación de las modernas

técnicas de computación.

2.2 CONDICIONES DE DISEÑO INTERIOR

Se le denomina condiciones de diseño interior al conjunto de valores de:

Temperatura de bulbo seco.

Temperatura de bulbo húmedo.

Humedad.

Velocidad y pureza del aire.

Estas condiciones deben mantenerse en el interior de un local, y estarán en función del uso que se

pretenda dar al espacio acondicionado, ya sea para el confort humano, para fines tecnológicos,

etcétera.

El sistema de acondicionamiento de aire debe mantener las condiciones atmosféricas en el interior

del local independientemente de las variaciones de las condiciones del tiempo en el exterior.

2.2.1 ASPECTOS A CONSIDERAR PARA LA CLIMATIZACIÓN CON EL OBJETIVO

DEL CONFORTCuando la climatización se realice con el objetivo de lograr el confort humano, en el local deberán

lograrse condiciones microclimáticas óptimas, que serán aquellas que no provoquen variaciones del

estado general y funcional del organismo, y que hagan innecesario el esfuerzo que requiere la

termorregulación; garantizándose de esta forma el bienestar térmico del hombre y por tanto

condiciones óptimas para su rendimiento.

No obstante lo anterior, no resulta fácil definir exactamente las condiciones ambientales bajo las

cuales la mayoría de las personas se sientan más cómodas, puesto que sucede a menudo, que lasrelaciones de una o varias personas, son completamente diferentes a las reacciones de otras bajo

idénticas condiciones microclimáticas.

El bienestar de una persona dependerá de la rapidez con que se transfiera calor, entre el cuerpo y el

medio circundante.

El cuerpo humano trata de mantener el balance térmico, o sea, el equilibrio entre las ganancias y las

pérdidas de calor, y con ello lograr el mantenimiento de la temperatura corporal (interna).

El intercambio de calor entre el hombre y el medio ambiente, se efectúa principalmente, mediante

los mecanismos que se verán a continuación:



Convección

El aire en movimiento transporta el calor del cuerpo al medio o del medio al cuerpo. La cantidad de

calor intercambiada dependerá de la diferencia de temperatura que exista entre el cuerpo y el aire, y

de la velocidad del aire; si la velocidad del aire es mayor que la de la piel, el individuo gana calor

por convección y si la temperatura del aire es menor que la de la piel, este pierde calor por

convección.

La velocidad relativa entre el aire y la piel determina esta pérdida o ganancia de calor, siendo mayor

a medida que aumenta la velocidad.

Radiación

La superficie del cuerpo trasmite calor a las superficies del medio ambiente o absorbe calor de las

mismas. La cantidad de calor intercambiado depende de la diferencia entre las temperaturas de las

superficies que circundan al individuo, la temperatura de la piel y el valor del ángulo sólido que

abarca dichas superficies en relación con el hombre.

Si la temperatura de una superficie es mayor que la de la piel, el individuo gana calor por radiación

de dicha superficie y si l temperatura de una superficie es menor que la de la piel, este pierde calor

por radiación hacia esa superficie.

Como las temperaturas de las superficies que rodean al hombre, así como el ángulo sólido que

subtienden, generalmente son diferentes, se define la temperatura media radiante como método de

simplificación, y esta puede calcularse utilizando la expresión siguiente:

K t t U t TMR bs g a g

844104,1273273 (2.1)

donde:

TMR: Temperatura media radiante (ºC)

T g : Temperatura de globo (ºC).

U a: Velocidad del aire (m/s).

t bs: Temperatura de bulbo seco (ºC).

La temperatura media radiante y la de globo son valores específicos del punto de medición, o sea, no

son representativas de todo el local.

EvaporaciónEsta transmisión de calor está determinada por tres factores:



1. Vapor de agua exhalado por los pulmones (en condiciones apropiadas de humedad

ambiente).

2. Transpiración a través de la piel.

3. Sudoración.

El sudor que se encuentra sobre la superficie de la piel se evapora, con lo cual, el cuerpo pierde una

determinada cantidad de calor. Esta pérdida de calor no dependerá solamente de que el individuo

sude, ya que si la humedad del aire es muy elevada el sudor no se evaporará. La velocidad del aire

sobre la piel favorecerá dicha evaporación. Por lo tanto, la magnitud de la perdida de calor por

evaporación depende además, de la humedad y de la velocidad del aire, y tiene un máximo

fisiológico que está en dependencia de la capacidad de sudoración del individuo.

En un ambiente de confort, el cuerpo humano no debe sudar, pero si aumenta la temperatura del aire

ambiente existirá una tendencia a incrementar la temperatura del cuerpo y su mecanismo de control

actuará de modo tal, que se comenzará a ceder mayor cantidad de calor, si los mecanismos de

transferencia por convección y radiación son insuficientes, apareciendo la sudoración.

De modo general, se puede resumir que el intercambio de energía entre el hombre y el ambiente, en

cuanto a magnitud y sentido, está en función de la temperatura, la humedad relativa, la velocidad del

aire, la temperatura de las paredes y de los diferentes objetos que se encuentren en el local y además

de la vestimenta.Debe considerarse también, que aun en estado de reposo, el organismo humano generará

continuamente el calor producido por el metabolismo, que en condiciones microclimáticas

favorables resultará suficiente para mantener la temperatura interna del cuerpo a unos 37ºC,

equilibrando las pérdidas de calor por convección y radiación.

Con la realización de trabajo muscular, la generación de calor aumenta debido a lo indeficiente que

resulta dicho trabajo, que puede variar desde 0 en estado de reposo, hasta un máximo de 25% en los

ejercicios mas eficientes, de manera que entre el 75 - 100% de energía consumida por un individuo

al trabajar se convierte en calor.

Como resultado de este análisis puede plantearse la ecuación general de balance térmico:

(2.2)

donde:

M : Generación metabólica del calor.

C : Intercambio de calor por convección.

0 E RC M



R: Intercambio de calor por radiación con el medio ambiente.

E : Pérdida de calor por evaporación.

La sensación de bienestar o confort corresponderá a la combinación de parámetros del aire para la

cual, el cuerpo humano rechaza la cantidad de calor necesaria para mantener un equilibrio térmico.

En la tabla 2.3 se exponen las condiciones microclimáticas óptimas según la norma cubana: Aire en

la zona de trabajo. Requisitos higiénico-sanitarios, aplicables a locales donde existen sistemas de

acondicionamiento de aire. Esta tabla muestra la temperatura de bulbo seco en ºC que debe

mantenerse para que la mayor cantidad de personas se sientan bien desde el punto de vista térmico,

según la velocidad del aire, la categoría de trabajo y el vestuario.

TABLA 2.3 Condiciones microclimáticas óptimas para bst tg y %70%30

Las categorías de trabajo son:

Trabajo ligero: trabajo que se desarrolla sentado, parado o combinado con la marcha,

pero sin tensión física sistemática, con un gasto energético de hasta 172W .

Trabajo moderado: trabajo con marcha constante, con marcha y traslado de pesos no

mayores de 10kg, parado o sentado con movimiento sistemático de las extremidades con

un gasto energético entre 172 – 293W .

Trabajo pesado: trabajo con tensión física sistemática, con movimiento constante

cargando pesos mayores de 10kg, con un gasto energético mayor de 293W .



El tipo de vestuario se especifica según su aislamiento térmico en clo (1clo = 0,155ºC · m2/W). Un

valor de 0,5 clo corresponde a ropa ligera de trabajo y 1,0 clo a un traje o abrigo.

La tabla 2.3 se aplica cuando t g = tbs (lo que supone también que TMR = tbs; cuando labs g t t es

necesario hacer una corrección a labst de la tabla. La corrección aparece en la tabla 2.4 y

corresponde a la ecuación:

C t t f t t bs g cbsbs º' (2.3)

donde:

t ’ bs: Temperatura de bulbo seco corregida (cuando se cumple que )bs g t t .

t bs: Temperatura de bulbo seco obtenida en la tabla 2.3.

f c: Factor de corrección dando en la tabla 2.4.

t g : Temperatura de globo.

Como se ha planteado, los parámetros que regulan los intercambios térmicos entre el hombre y el

medio ambiente son: temperatura, velocidad y humedad del aire y la temperatura de las superficies

(fundamentalmente las paredes); por lo tanto las combinaciones de dichos valores pueden provocar

sensaciones de calor o frío en un conjunto de individuos.

TABLA 2.4 Factor de corrección para las t bs de la tabla 2.3 cuando bsa t t

Debido a lo anterior, se hace necesario el uso de índices que ingresen en uno solo, los efectos de dos

o más de los factores que influyen en dicho intercambio térmico. Uno de los índices que más se

utilizan para la climatización es el de temperatura efectiva.



Índice de temperatura efectiva

El índice de temperatura efectiva es determinado, haciendo pasar a grupos de individuos de un local

con determinadas condiciones de temperatura, unidad relativa y movimiento del aire a otro local con

aire saturado y velocidad muy baja smu /13,007,0 ; siempre con temperatura de las paredes

iguales a la del aire.

Ambas condiciones se consideran idénticas si todos los individuos al pasar de uno a otro local

experimentan la misma sensación de calor o frío; se asume entonces a partir de esto, que ambas

condiciones microclimáticas corresponden a la misma temperatura efectiva y por tanto esta se define

de la siguiente forma: El índice de temperatura efectiva es la combinación de temperatura, humedad

y movimiento del aire que produce la misma sensación en las personas, que la que provocaría un

aire quieto y saturado a la temperatura indicada. Y se determina haciendo uso del nomograma de la

figura 2.4.

La metodología a seguir en el uso del diagrama es la de unir con una recta la temperatura de bulbo

húmedo e interceptar dicha recta con la línea de velocidad del aire y leer la temperatura efectiva, a

que le corresponde dicho punto, en la escala correspondiente.

Ejemplo de lectura del diagrama:

Para una smuC t abs /5,0º25

C TE C t bh º21º17

Debe tenerse en cuenta que la temperatura efectiva no es una temperatura real, en el sentido de que

pueda ser medida con un termómetro; es un índice determinado experimentalmente, que es válido

para individuos normalmente vestidos, realizando un trabajo ligero y para temperatura de las paredes

igual que las del aire.

Como el índice de temperatura no tiene en cuanta la intensidad del trabajo, es necesario considerar

esa variable adicionalmente, puesto que su valor será diferente cuando se realice un trabajo

moderado o pesado. También debe especificar el vestuario utilizado.



Figura 2.4 Nomograma de temperatura efectiva.

Índice de temperatura efectiva corregida

Cuando la temperatura media radiante es mayor que la temperatura de bulbo seco del aire, el índice

de temperatura efectiva (ITE) no ofrece los resultados más apropiados, puesto que le mismo omite el

efecto de la radiación, haciéndose necesario la utilización del índice de temperatura efectiva

corregida (ITEC) que se determina utilizando el mismo monograma representado en la figura 2.4

pero con una corrección determinada por la lectura del termómetro del globo.

Se ha demostrado, que si la temperatura de globo, se usa en lugar de la temperatura del aire, a los

efectos de la radiación se incluye dicho valor.

El procedimiento a seguir en la carta psicrométrica es el siguiente:

1. Interceptar los valores de temperatura del bulbo seco y humedad relativa.

2. Representar en la escala de temperatura seca, el valor de la temperatura de globo.

3. Trazar una línea a presión parcial del vapor de agua constante (o contenido de humedad

constante), desde el punto de intercepción de temperatura de bulbo seco y humedad relativa

hasta el valor de temperatura de globo.



4. Determinar la temperatura de bulbo húmedo equivalente, que será la temperatura de bulbo

húmedo correspondiente al nuevo estado del aire.

De la misma forma, se indica en el nomograma de temperatura efectiva (figura 2.4), la temperatura

de bulbo húmedo equivalente, en lugar de la temperatura de bulbo húmedo registrada; la temperatura

de globo en lugar de la temperatura de bulbo seco del aire y la velocidad del aire, determinándose así

la temperatura efectiva corregida.

A pesar de que el ITE ha sido frecuentemente utilizado en el campo del aire acondicionado, desde su

implantación la práctica ha puesto de relieve la necesidad de realizar experiencias ulteriores sobre las

condiciones que producirán el óptimo confort, sin dejar de considerar los factores técnico-

económicos, por ejemplo: se sabe que el consumo energético de instalaciones de aire acondicionado

crece rápidamente con el descenso de la temperatura efectiva interna requerida, por tal razón debe

analizarse al hacer un proyecto, la posibilidad de utilizar temperaturas en el interior del local

ligeramente superiores a las correspondientes al máximo bienestar fisiológico, tanto más, si se tiene

en cuenta que dichas condiciones se alcanzarán apenas las condiciones exteriores sean menos duras

que las supuestas en los cálculos.

2.2.2 OTROS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SELECCIÓN DE LAS CONDICIONES

DE DISEÑO INTERIOR.Existen otros factores que influyen en la selección de las condiciones de diseño interior para confort

humano, algunos de estos factores son explicados a continuación.

Aclimatación y diferencias de estaciones: generalmente las personas que viven en zonas de

clima más frío se sienten confortables a temperaturas efectivas más bajas que las personas de

climas más cálidos.

Las personas de clima más cálido, acostumbradas al uso de ventiladores prefieren un

movimiento de aire más perceptible que las de clima más frío.Con la unidad relativa sucede algo similar; personas de climas más secos prefieren

humedades más bajas que los de clima húmedo.

También existen variaciones en cuanto a las estaciones, en invierno se prefiere un grado

efectivo más bajo que en verano.

Tiempo de ocupación: la experiencia indica que a medida que el tiempo de estancia es

menor, las condiciones de confort (temperatura efectiva) tiene a alejarse de las

correspondientes a un valor óptimo para estancias continuas en la dirección de la



temperatura continua exterior. Esta diferencia, aunque no resulte demasiado grande, es

suficiente para tenerla en consideración en cuanto al costo por grado de temperatura de

enfriamiento en grandes instalaciones.

Lo antes señalado es un aspecto a considerar en la realización de proyectos de climatización

en tiendas departamentales, edificios de oficinas, teatros, restaurantes y muchas otras

instalaciones comerciales; donde la mayoría de las personas entran y salen varias veces al

día, prefiriendo por lo tanto temperaturas efectivas más altas.

En muchas instalaciones comerciales, las temperaturas efectivas que deben ser mantenidas

en sus interiores, deben constituir un término medio entre las necesarias para asegurar el

bienestar de los empleados, y las requeridas para evitar que los clientes sufran los efectos de

un contraste demasiado grande entre la temperatura interior y la del exterior (a este

fenómeno se le denomina efecto de choque).

Efecto de choque: es el cambio de temperatura brusco que se percibe y ocurre con la entrada

súbita al local acondicionado o viceversa y fundamentalmente durante los meses de verano,

por ser estos los meses de mayor temperatura en el exterior y por tanto mayor diferencia de

temperaturas entre el interior del local climatizado y el exterior.

Para evitar este desagradable efecto se deben utilizar vestíbulos o corredores con

temperaturas intermedias entre la interior y la exterior del local.

Ropa: en la selección de las condiciones de diseño interior es preciso tener presente las

características de las ropas utilizadas en cada país y el tipo de ropa usada de acuerdo al uso

del local acondicionado.

La diferencia entre el peso de la ropa usada por hombres y mujeres requiere un acomodo en

la mayoría de las aplicaciones.

Edad y sexo: Se ha comprobado experimentalmente que: Las mujeres prefieren temperaturas

efectivas un grado mayor que los hombres.

Hombres y mujeres de más de 40 años prefieren un grado mayor de temperaturas efectivas

que los de menos de 40 años.

Actividades: las personas que realizan trabajos que demandan esfuerzo físico, requieren una

temperatura efectiva más baja para su bienestar, esta deberá ser menor a medida que mayor

sea la actividad.



Calor radiado: en locales con gran cantidad de personas (cines, auditorios, etc.) el

intercambio de calor radiante entre los ocupantes es lo suficientemente grande como para

que se requiera una leve disminución de las temperaturas efectivas requeridas.

Todos estos factores deberán tenerse en cuenta, según la aplicación a que se destinó el local y si la

instalación así lo requiere.

2.2.3 ASPECTOS A CONSIDERAR PARA LA CLIMATIZACIÓN CON FINES

INDUSTRIALES.

Cuando la climatización persigue como objetivo el buen desenvolvimiento de un proceso

tecnológico, o la conservación de un producto, las condiciones de diseño interior deben ser

establecidas por los tecnólogos o especialistas correspondientes y evidentemente, los mismos

dependerán de las características del proceso que se desarrolle o del producto en cuestión.

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Cap. 1 y 2 Psicro y Diseño