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7/23/2019 Ship Science

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Ship Science & Technology, Vol 2, No 3

Estudio comparativo del mtodo de clculo de cargatrmica para sistemas de aire acondicionado en

buquesCarlos Rodrguez Jaraba a

Bienvenido Sarra Lpez aJuan Fajardo Cuadro a

Ricardo Lugo Villalba b

Resumen

Este artculo presenta el estudio comparativo entre las pr cticas recomendadas por la Sociedadde !r"uitectos #avales e $ngenieros %arinos &Sname& para el dise'o de sistemas deacondicionamiento de aire en bu"ues ( la metodologa de c lculo de carga t)rmica CL*+,CLFdesarrollada por la Sociedad !mericana de $ngenieros de Cale-accin. Re-rigeracin (!condicionamiento de !ire & Ashrae &/ 0ara veri-icar la di-erencia en los resultados obtenidos alemplear las consideraciones ( ecuaciones de c lculo propuestas se utilizaron datos de dise'o delbu"ue de ro tipo nodriza V$ construido por Cotecmar. ( se demostr "ue mediante el uso de lametodologa de la Sname se obtienen sistemas de acondicionamiento de airesobredimensionados/ *ambi)n se evaluaron los coe-icientes globales de trans-erencia de calorcomparando los resultados tabulados por la Sname con los valores obtenidos a trav)s delm)todo de zona/ 0or 1ltimo. se determin la in-luencia de las cargas t)rmicas calculadas en lacapacidad del e"uipo de en-riamiento re"uerido en un local del bu"ue/

Palabras clave 2 %etodologa de c lculo de carga t)rmica. CL*+,CLF. carga t)rmica. m)todo dezona. coe-iciente global de trans-erencia de calor/

Abstract

*3is article presents a comparative stud( bet4een t3e practices recommended b( t3e Societ( o-#aval !rc3itects and %arine Engineers &S#!%E& -or t3e design o- air conditioning s(stems ons3ips and t3e met3odolog( o- t3ermal c3arge calculation CL*+,CLF developed b( t3e !mericanSociet( o- 5eating. Re-rigeration and !ir Conditioning Engineers &!S5R!E&/ *o veri-( t3edi--erence in t3e results obtained 43en appl(ing t3e proposed considerations and e"uations o-calculus. s3ip design data o- t3e V$ riverine patrol and suppl( s3ip built b( Cotecmar. itdemonstrated t3at b( means o- t3e use o- t3e met3odolog( o- t3e S#!%E. over6sized airconditioning s(stems are obtained/ !nd t3e global coe--icients o- 3eat trans-erence 4ere alsoevaluated comparing t3e results tabulated b( t3e S#!%E 4it3 t3e values obtained t3roug3 zonemet3od/ Finall(. t3e in-luence o- t3e calculated t3ermal c3arges in t3e capacit( o- t3e e"uipment

o- cooling re"uired on t3e premises o- t3e s3ip 4as determined/

7e( 4ords2 *3ermal c3arge calculation met3od. CL*+,CLF. t3ermal c3arge. zone met3od. globalcoe--icients o- 3eat trans-erence/Fec3a de recepcin2 8 de noviembre de 899:Fec3a de aceptacin2 ;: de diciembre de 899:


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a=niversidad *ecnolgica de Bolvar/ +epartamento de $ngeniera %ec nica/bCotecmar/ +epartamento de %a"uinaria ( 0ropulsin/!utor corresponsal2 cmrodriguezjaraba>(a3oo/es

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Introduccin

Las pr cticas recomendadas para los c lculos de dise'o de sistemas de aire acondicionado enbu"ues. ( en particular las re-erentes al c lculo de la carga t)rmica publicada por la Sociedad de!r"uitectos #avales e $ngenieros %arinos 6Sname6en ;?@96 ; . empleada en el astillero deCotecmar. eval1a los espacios "ue se van a acondicionar usando el concepto de ganancias decalor instant neas el cual considera "ue todas las ganancias de calor. internas ( eAternas sontrasmitidas directa e inmediatamente al local/

!simismo. por ser esta una evaluacin del -lujo de calor estable. recomienda tambi)n el uso decoe-icientes o -actores "ue eval1an mediante un solo c lculo la trans-erencia por conduccin (radiacin a trav)s de super-icies de vidrio ventanas ( no considera la variacin diaria en losdi-erenciales de temperaturas re"ueridos para determinar los componentes eAternos de carga

conduccin a trav)s de estructuras eApuestas a la radiacin solar2 casco. cubiertas superiores.ventanas debido a la latitud ( mes considerados en el dise'o/

!l realizar c lculos basados en las recomendaciones de la Sname no se tiene en cuenta el e-ectode almacenamiento de calor o e-ecto de retardo t)rmico/ La ma(or parte de las -uentes deganancia de calor trans-ieren energa tanto por conveccin como por radiacin/ La energaradiante es la absorbida por las paredes. pisos. muebles ( otros objetosD solo cuando estosalcanzan una temperatura ma(or a la del aire interior se trans-iere el calor por conveccin alespacio/ Este e-ecto de almacenamiento t)rmico es mu( importante en la determinacin de lacapacidad del e"uipo de acondicionamiento de aire ( evita sobredimensionar el sistema (a "ue lacarga de en-riamiento determinada ser menor a la ganancia de calor m Aima instant nea de unespacio en un momento dado/ En las di-erentes metodologas desarrolladas por la !s3rae para elc lculo de la carga t)rmica o carga de en-riamiento se considera el e-ecto de almacenamiento.una de ellas es la m)todo CL*+,CLF propuesto inicialmente en ;?::6 8 /

0or otro lado. la metodologa de la Sname recomienda el uso de coe-icientes globales detrans-erencia de calor -actor = para estructuras navales "ue datan de un reporte deaislamiento t)rmico de ;? Sname . los cuales 3o( son inadecuados por ser para dimensiones( caractersticas geom)tricas di-erentes al tipo de estructuras "ue se emplean en la industrianaval/ !dicional a esto. los valores tabulados en el reporte -ueron determinados en ensa(oseAperimentales en paneles con aislamiento de -ibra de vidrio. mientras "ue en las patrulleras dero construidas en Cotecmar se emplea poliuretano eApandido/

0or lo tanto. es necesario evaluar la metodologa para determinar la carga t)rmica ( los valoresdel -actor = con el propsito de mejorar ( optimizar los dise'os de los sistemas deacondicionamiento de aire en la construccin de bu"ues/

Estado del arte

+entro del presente artculo se abordan dos reas espec-icas relacionadas con el c lculo decarga t)rmica o de en-riamiento2 La primera 3ace re-erencia a las ecuaciones ( consideracionesde c lculo empleadas para evaluar los di-erentes componentes de la carga t)rmica las cargaseAternas por transmisin o conduccin en super-icies soleadas ( no soleadas. por conduccin (radiacin en vidrios. ( las cargas internas por conduccin a trav)s de particiones internas. cargapor personas. por e"uipos ( por iluminacin / La segunda tiene "ue ver con los valores delcoe-iciente global de trans-erencia de calor empleados en el c lculo de la carga por transmisin atrav)s del casco ( los mamparos/
http://www.shipjournal.co/index.php/sst/rt/printerFriendly/12/66#unohttp://www.shipjournal.co/index.php/sst/rt/printerFriendly/12/66#doshttp://www.shipjournal.co/index.php/sst/rt/printerFriendly/12/66#doshttp://www.shipjournal.co/index.php/sst/rt/printerFriendly/12/66#uno


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En estudios preliminares de 5art. Fulton ( CoA 899G . se determin "ue los valores de U establecidos por la Sname en su Reporte de !islamiento *)rmico ;? no son adecuadospuesto "ue no 3an venido a la par con los cambios en las con-iguraciones ( materiales aislantesusados en la construccin naval. a di-erencia de los aislamientos t)rmicos en envolventes deedi-icios/ %ientras las normas de aislamientos t)rmicos en edi-icios residenciales ( comerciales (ambientes industriales 3an cambiado de -orma dram tica en los 1ltimos cuarenta a'os debido alos aumentos signi-icativos en los costos de la energa ( a la ma(or comprensin del desempe'ode los aislamientos. las normas para la industria naval no 3an cambiado/

5art. Fulton ( CoA 899G . demostraron "ue el uso de los valores propuestos produce espesoresde aislamientos ma(ores a los realmente re"ueridos. principalmente por"ue las con-iguracionesde los re-uerzos empleados en la construccin naval. as como la pro-undidad. espesores (espaciado de los mismos 3an variado a lo largo de los a'os/ Esto a-ecta considerablemente el-lujo de calor en las estructuras navales. debido a "ue a trav)s de los re-uerzos met licos. dema(or conductividad "ue el aislamiento. se producen puentes t)rmicos/

0or otro lado. mientras 3a( varias opciones disponibles para la seleccin de di-erentes materialescomo aislamientos en un bu"ue. los datos publicados por la Sname en su reporte se en-ocan enlos valores del coe-iciente global para estructuras aisladas con -ibra de vidrio semirrgida/ En elcaso particular del bu"ue #odriza V$ el aislamiento empleado es poliuretano eApandido. por lo"ue los valores del -actor U utilizados en el momento de determinar la carga por transmisin soninadecuados/

Los datos contenidos en la publicacin de la Sname -ueron obtenidos mediante ensa(os t)rmicos"ue se desarrollaron para determinar el desempe'o del aislamiento en combinacin conre-uerzos angulares bidimensionales. mientras "ue los re-uerzos de la nodriza son de geometraen * ( de bulbo/

Como conclusin 5art. Fulton ( CoA 899G establecieron "ue es necesario revaluar los valoresdel -actor U debido a "ue los re"uerimientos t)rmicos inadecuados por el uso de valores erradosresultan en eAceso de peso ( de costos en consumo de combustible. as como por generadores (e"uipos de acondicionamiento de aire ( de ventilacin sobredimensionados/

Desarrollo de la metodologa de clculo de carga trmica

! lo largo de los 1ltimos a'os la Ashrae 3a venido desarrollando di-erentes pro(ectos deinvestigacin en aras de c lculos m s eAactos ( de obtener mejores resultados en ladeterminacin de la carga t)rmica tambi)n llamada carga de en-riamiento / Es as como lasmetodologas empleadas para el dise'o de sistemas de acondicionamiento de aire 3anevolucionado/

En la edicin del %anual de Fundamentos de la Ashrae de ;?:8 se describieron dos m)todos dec lculo de la carga de en-riamiento/ En el primer procedimiento. el m)todo de la +i-erencia *otalde *emperatura E"uivalente *E*+ por sus siglas en ingl)s . varios componentes de la gananciade calor del espacio se conjugan para obtener una tasa instant nea total de la ganancia de calordel espacio. de donde se obtiene la carga de en-riamiento instant nea usando -actores de peso

!s3rae. ;?:: /

El segundo procedimiento se introdujo por primera vez en el volumen del a'o de ;?:8. ( -ue elm)todo de las Funciones de *rans-erencia TFM / !un"ue utilizaba un principio similar alprimero. empleaba -actores de respuesta completamente di-erentes para convertir la gananciade calor en carga de en-riamiento/ Estos -actores -ueron llamados coe-icientes de las -uncionesde trans-erencia/

0ara eliminar las discrepancias entre estos m)todos la Ashrae realiz investigaciones "uecondujeron al CL*+,CLF +i-erencia de temperatura de la carga de en-riamiento , Factor decarga de en-riamiento . desarrollado como m)todo de c lculo manual. "ue utilizaba los valoresde CL*+ ( CLF tabulados/ Los valores -ueron calculados 3aciendo uso del m)todo de las


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-unciones de trans-erencia el cual proporciona las cargas de en-riamiento para condicionesambientales ( tipos de zonas estandarizadas/ Esas cargas -ueron normalizadas. de tal -orma "ueel dise'ador poda determinarlas para cada 3ora con una multiplicacin sencilla/

En trabajos posteriores %cHuiston et al/. ;?? se realizaron revisiones al m)todo CL*+,CLF.con la -inalidad de obtener resultados m s eAactos. lo cual condujo al CL*+,SCL,CLF en el "uese introduce un nuevo -actor. la carga de en-riamiento solar SCL . para calcular la carga porradiacin en vidrios -enestracin / Este era m s eAacto ( - cil de usar/ *ambi)n se generarondatos para CL*+ ( CLF a partir de los nuevos coe-icientes de -unciones de trans-erencia porconduccin ( -actores de respuesta desarrollados en el pro(ecto de investigacin de la !s3raeR06G:8/ +ebido al n1mero de datos disponibles de -orma impresa se desarroll un so-t4are paraelaborar las tablas de CL*+ ( CLF .

En vol1menes m s recientes del %anual de Fundamentos de la Ashrae 899I se muestra elm)todo de Balance de Calor 5B ( el de Serie Radiante en el *iempo R*S / !mbos est n-undamentados en "ue la estimacin de la carga de en-riamiento implica c lculos de balance decalor por conduccin. convectivos ( radiantes de super-icie a super-icie. para cada una de lassuper-icies de los locales ( un balance de calor convectivo para el aire del local/

El m)todo de balance de calor resuelve de -orma directa el problema "ue se basa en laaplicacin del primer principio de la termodin mica/ La ventaja es "ue no contiene ning1nconjunto de par metros arbitrarios. ni ninguno de los procesos se deja de lado/ Es necesario eluso de computadores para algunos c lculos "ue re"uieren aproAimaciones rigurosas/

El de serie radiante en el tiempo es un m)todo simpli-icado para desarrollar c lculos de carga deen-riamiento "ue se derivan del m)todo de balance de calor. ( reemplaza de -orma e-ectiva losdem s m)todos simpli-icados sin balance de calor . tales como el de -unciones de trans-erencia

*F% . el de di-erencia de temperatura de la carga de en-riamiento,-actor de carga deen-riamiento. ( el m)todo de di-erencia total de temperatura e"uivalente/

Las series radiantes en el tiempo se desarrollaron para o-recer un m)todo riguroso "ue nore"uiera c lculos iterativos ( cuanti-i"ue la contribucin de cada componente a la carga deen-riamiento total/ *iene la caracterstica de permitir al usuario inspeccionar ( comparar loscoe-icientes para di-erentes tipos de construccin ( de zonas en una -orma "ue ilustra su e-ectorelativo en los resultados. por tal motivo -acilita el uso del juicio del ingeniero durante el procesode c lculo de la carga de en-riamiento/

!un"ue el m)todo de serie radiante en el tiempo es simple en conceptos. implica demasiadosc lculos para ser usado de -orma pr ctica como m)todo manual. no obstante. puede ser- cilmente implementado en una sencilla 3oja de c lculo computarizada/

Comparacin de metodologas de clculo

En vista de lo anterior. es necesario comparar los resultados obtenidos por la metodologarecomendada por la Sname . con a"uellos logrados al emplear otras m s modernas como laCL*+,CLF propuesta por la !s3rae. "ue si bien no es la m s actual. es de c lculo manual.permite estimar la carga 3ora a 3ora ( sirve para evaluar la carga t)rmica de un local con ma(oreAactitud "ue con el m)todo de la Sname . "ue realiza solo un c lculo ( no considera la variacin

en el tiempo de cada carga ni eval1a la ocurrencia simultanea de las mismas/En el proceso comparativo se realizaron c lculos ejemplo para las di-erentes ganancias de calor ocomponentes de carga/ !"u se muestran las ecuaciones empleadas en cada una de lasmetodologas. ( se determina la di-erencia resultante/ Los valores "ue no variaron o seconsideraron iguales para una u otra metodologa est n indicados ( se calcul el porcentaje devariacin de la carga reduccin o incremento al emplear la metodologa de la !s3rae/0osteriormente se realiz el an lisis comparativo del c lculo del coe-iciente global detrans-erencia de calor por m)todos propuestos por la Ashrae con los valores tabulados en elreporte de la Sname ;? . ( -inalmente -ue evaluada la carga t)rmica usando ambas


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metodologas en un espacio de la #odriza V$. para determinar la capacidad re"uerida del e"uipode acondicionamiento de aire ( la in-luencia de la carga t)rmica en la misma/

*odos los c lculos realizados se basan en las condiciones de dise'o reales del bu"ue ( en lascaractersticas del cuarto de radio de la #odriza V$D estos datos son indicados a continuacin/

Condiciones de dise o

Considerando las reas de ronda de las patrulleras de ro. se establecen las siguientescondiciones de dise'o para el c lculo2

*emperatura de dise'o eAterior2 ?I F/

5umedad relativa eAterior2 @9K/

*emperatura de dise'o interior2 @9 F. seg1n recomendaciones de la Sname para bu"uesde guerra Sname. ;??8 /

5umedad relativa interior2 I9K/

Variacin diaria de temperatura2 8; F valor asumido /

Latitud aproAimada de las zonas de navegacin entre 9 ( latitud norteD se considerapara los c lculos una latitud de 9 L#/

%es de dise'o2julio

Datos del local

Cubierta superior eApuesta al sol con rea de . compuesta por l mina deacero de ;,GM de espesor m s aislamiento de poliuretano eApandido de M/

Cubierta in-erior de acero naval de ;,Gde es pesor. zona ad(acente acondicionada/

%amparo lateral de babor termoac1stico de lana de roca mineral con =N 9.;: ? Btu,3/

. CO%0 . espacio ad(acente a un pasillo acondicionado indirectamente se considera unatemperatura de 9.I F por encima de la temperatura de dise'o interior . con un rea de

/

%amparo lateral de babor al eAterior de acero naval de PM de espesor m s aislamientode poliuretano eApandido de M con un rea de ; . -t8/ Se considera una super-icie nosoleada/

%amparo lateral de estribor termoac1stico de lana de roca mineral con U N 9.;: ? Btu,3/

. con un rea de . ad(acente a espacio no acondicionado a una temperaturade ?I F/

%amparo de proa termoac1stico de lana de roca mineral. ad(acente a espacioacondicionado/


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%amparo de popa eApuesto al sol de acero naval de P de espesor m s aislamiento de

poliuretano eApandido de M con un rea de / En este mamparo se encuentra un

vidrio blindado con un rea de .;I -t8D con un espesor de G: mm /

$luminacin2 +os l mparas de tec3o de 99 mm *@ de 8 A ;: Q con balastro magn)tico/

E"uipos2 =na unidad terminal fan coil de ; *R con ; motor de 50 ( consumo depotencia de ;8G Q. puede operar a tres velocidades. ( e"uipos varios de comunicacin/

#ivel de ocupacin2 El espacio es ocupado por dos personas/

! continuacin se eAplican las cargas evaluadas/

!anancia de calor por transmisin

Seg1n la Sname

La carga por transmisin "t para super-icies no soleadas seg1n la Sname se determina mediantela ecuacin2

Los valores de = recomendados son los contenidos en el Reporte de !islamiento *)rmico G6 de;? . como (a se mencion/

0ara determinar la carga por transmisin para super-icies eAternas eApuestas al sol se emplea lasiguiente ecuacin2

Los valores de temperatura eAterior "ue se toman para determinar la di-erencia de temperaturae"uivalente Te son dados por la Sname ;?@9 ( se muestran en el Cuadro ;/


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"eg#n la As$rae

La carga por conduccin para super-icies no soleadas se calcula mediante la siguiente eApresin2

La carga por conduccin para super-icies eAternas verticales paredes eApuestas al sol secalcula mediante la ecuacin2

El valor del CL*+ aparece tabulado en el F undamentals Handbook de la Ashrae ;?@? ( ;??: (debe ser corregido cuando se dise'a para una latitud di-erente a G9 # ( un mes de dise'odi-erente a julio mediante el -actor L%. ( cuando se tiene una variacin diaria de temperaturadi-erente a 8; F ( temperaturas de dise'o eAterior e interior di-erentes a ?I F ( :@ Frespectivamente/ *ambi)n se aplica un -actor de correccin por el color eAterior de la super-iciek / *odas estas correcciones se eApresan en la siguiente ecuacin2

La carga por transmisin para super-icies eAternas 3orizontales tec3os eApuestas al sol secalcula mediante la ecuacin2

Siendo para el caso de super-icies 3orizontales tec3os 2


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+onde f es un -actor de ventilacin aplicable a ventiladores o conductos sobre tec3o -also cieloraso D si no eAisten all conductos ni ventilacin este -actor es igual a ;. lo cual ocurre en elbu"ue #odriza V$/

Clculo e%emplo

0ara el caso de super-icies no eApuestas al sol se observa "ue la ecuacin correspondiente essimilar en ambos m)todos. esto si se consideran "ue tienen valores iguales para el coe-icienteglobal de trans-erencia de calor o -actor =/ 0osteriormente se realiza un an lisis de lasdi-erencias entre el valor de U tabulado por la Sname ( los calculados por un m)todo de la

Ashrae /

"uper&icie $ori'ontal

0ara e-ectos de comparacin de la carga por transmisin de super-icies eApuestas al sol. serealiza un c lculo ejemplo para una super-icie 3orizontal soleada cubierta superior con rea de

:9.@9 . compuesta por l mina de acero de PM de espesor m s aislamiento de poliuretanoeApandido de M/ Se considera para ambos casos el mismo valor de U /

Resultados obtenidos seg1n la Sname2

Resultados obtenidos seg1n la !s3rae2

El resultado detallado para el CL*+c se muestra a continuacin2

0ara determinar este valor se consideran las condiciones de dise'o previamente establecidas. (adicional a ello se selecciona el tipo de tec3o n/o; por ser el grupo "ue m s se acerca a lascaractersticas de construccin del bu"ue l mina de acero con ;M o 8M de aislamiento / Se tomael ma(or valor de CL*+ tabulado para tec3os "ue corresponde a las ;G 3oras 8 p/m/ . !s3rae

;?@? /

"uper&icie vertical

0ara evaluar super-icies soleadas verticales se realiza el c lculo para el mamparo de popaeApuesto al sol de acero naval de PM de espesor m s aislamiento de poliuretano eApandido de M

con un rea de .9@ D igual "ue en el caso anterior se considera el = igual para ambasmetodologas/

Resultados obtenidos seg1n la Sname2


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Resultados obtenidos seg1n la !s3rae2

El resultado detallado para el CL*+c se muestra a continuacin2

El grupo de pared utilizado para seleccionar el CL*+ -ue el . "ue corresponde a cortinasmet licas con aislamiento de ;M a M/ Se toma el ma(or valor de CL*+ tabulado para el grupo depared "ue corresponde a una super-icie con orientacin oeste a las ;: 3oras I p/m/ ( secorrige por latitud ( mes de dise'o para esa orientacin (Ashrae . ;?@? /

"uper&icies no soleadas o particiones internasComo (a se mencion. la ecuacin para ambos casos es igual ( por lo tanto. la carga t)rmicaser igual siempre "ue el = empleado sea el mismo. pues los valores de temperatura se suponeniguales ( el rea ser la misma/

0ara e-ectos de comparacin de la carga por transmisin de super-icies no soleadas. se realizaun c lculo ejemplo para el mamparo lateral de babor. "ue es termoac1stico. de lana de roca

mineral. con U N 9.;: ? F ( "ue tiene como espacio ad(acente un pasillo el cual esacondicionado indirectamente se considera una temperatura de 9.I F por encima de latemperatura de dise'o interior /

El rea es de I .G: /

Resultados obtenidos seg1n la Sname

Resultados obtenidos seg1n la !s3rae

!anancia de calor a travs de vidrios"eg#n la "nameLa ganancia de calor "ue combina la transmisin conduccin ( la radiacin solar para vidrios secalcula mediante2


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"eg#n la As$rae ()*+*,

Esta carga se divide en una carga por conduccin a trav)s de la super-icie ( en una carga debidoa la radiacin "ue es trasmitida al interior del espacio acondicionado/ 0ara la ganancia de calorpor conduccin a trav)s de un vidrio se emplea la siguiente ecuacin2

La ganancia de calor producto de la radiacin solar a trav)s de vidrios se determina mediante lasiguiente ecuacin2

La carga total por vidrios ser 2

Clculo e%emploSe realiz el c lculo por ambos m)todos para el vi6drio blindado de de espesor con un

rea de .;I



El = es para un vidrio plano sencillo por no tener datos tabulados para vidrio blindado/ Se tomel ma(or valor de CL*+ tabulado para conduccin en vidrios. "ue corresponde a las ; 3oras Gp/m/ ( se corrigi para las temperaturas de dise'o/

El -actor de sombreado SC seleccionado es para un vidrio sencillo de 8M de espesor. ( el ma(or-actor de ganancia de calor solar S5 F elegido es para la latitud de dise'o de 9 # "uecorresponde a un vidrio con orientaciones noreste (,o noroeste/ ! partir de all se selecciona elma(or -actor de carga de en-riamiento CLF considerando el bu"ue como una construccin media


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( para vidrios sin sombreado interior/ El valor corresponde a las ;@ 3oras p/m/ . por lo tantola carga total a trav)s del vidrio ser 2

!anancia de calor por iluminacin

"eg#n la "nameLa carga por iluminacin se calcula mediante la siguiente ecuacin2

B/F/ es el -actor de resistencia e"uivale a ;.8I para bu"ues mercantes ( .G; es el -actor deconversin de vatios Q a Btu,3/

"eg#n la As$rae (- /,La carga por iluminacin se determina mediante la ecuacin2

siendo.

W N potencia en vatios de las luminarias/

N potencia en vatios instalada , potencia en vatios usada/

N -actor especial de iluminacin/ Este depende del tipo de luminaria ( de balastro/

CLF N -actor de carga de en-riamiento. "ue depende del n1mero de 3oras "ue pemanecenencendidas las luces/

Clculo e%emplo

0ara el c lculo se considera la iluminacin del cuarto de radio "ue consiste en dos l mparas-luorescentes dobles de tec3o de 99 mm *@ de ;: Q con balastro magn)tico/



Se considera "ue se usa toda la potencia en vatios instalada por lo "ue es igual a ;/ El valor

de se obtiene de los valores tabulados para di-erentes tipos de l mparas -luorescentes


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!s3rae. 899I / El CLF se considera ; suponiendo "ue las luces solo est n prendidas cuando ele"uipo de acondicionamiento de aire est encendido/

!anancia de calor por personas

"eg#n la "name 0 la Armada de los Estados 1nidos

Las ganancias de calor sensible ( latente se determinan respectivamente mediante las siguientesecuaciones2

Los valores recomendados por la Sname para la disipacin de calor sensible o latentepor personas aparecen tabulados en el *ec3nical and Researc3 Bulletin ;?@9 ( varan con latemperatura del cuarto ( el nivel de actividad/ Este 1ltimo se encuentra dividido en espacios detrabajo ( de atencin de mesas ( todos los espacios restantes/

0or otro lado. la !rmada de los Estados =nidos proporciona gr -icas para determinar ladisipacin de calor sensible ( latente para bu"ues de guerra seg1n el tipo de espacio ( el valorde temperatura. como se observa en el r -ico ;/

"eg#n la As$rae (- /,

Las ganancias de calor sensible ( latente se determinan mediante las siguientes ecuaciones2

El valor de CLF para la carga sensible depende del tiempo de ocupacin del espacio/


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Los valores de disipacin por personas est n dis6ponibles en el Cuadro 8 seg1n el tipo deactividad ( espacio/

Los valores tabulados se basan en una temperatura del espacio de :I F/ 0ara temperaturas de@9 F. el calor total permanece igual. pero los valores de calor sensible deben disminuirse en89K aproAimadamente. ( los de calor latente incrementarse en igual proporcin/

Clculo e%emplo

Se evalu el cuarto de radio de acuerdo con las condiciones de temperatura de dise'oconsiderando la ocupacin permanente de dos personas/

Resultados seg1n la Sname


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Se seleccionaron los valores para la columna de todos los espacios restantes por no ser unespacio de trabajo ni de atencin de mesas/

Se seleccion el r -ico ; para o-icinas. camarotes. cabinas ( espacios electrnicos/


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Resultados seg1n la !s3rae 899I

Se considera un grado de actividad en el cuarto de radio como Sentado. trabajo mu( ligeroT/Los valores de 9.@ ( ;.8 en los c lculos para calor sensible ( latente respectivamenterepresentan el decremento e incremento del 89K recomendado para una temperatura de @9 F/

El valor de CLF se tom igual a ; debido a "ue la temperatura del espacio no se mantieneconstante durante las 8G 3oras del da !s3rae. ;?:: . esto se debe a "ue en ciertas 3oras ele"uipo de acondicionamiento de aire se apaga/

!anancia de calor por equipos

"eg#n la "name

La carga por e"uipos puede ser calculada cuando se conocen o estiman los datos de disipacinde calor mediante las ecuaciones ;? ( 892

UF es el -actor de uso Cuadro . ( HF representa el -actor de campana/ Se usa 9.I para lacarga sensible de e"uipos "ue tienen una campana de eAtraccin ( se considera cero su cargalatente/ Se usa ; cuando no 3a( campana de eAtraccin sobre el e"uipo/

"eg#n la As$rae

La ganancia de calor sensible para e"uipos gen)ricos de tipo el)ctrico. de vapor ( de gas.bajouna campana eAtractora. puede estimarse usando la siguiente ecuacin2

+onde el se de-ine como la relacin entre la ganancia de calor sensible ( la energa nominal

de entrada . proporcionada por los -abricantes de los e"uipos/

Los -actores de uso . de radiacin ( de carga aparecen tabulados en el FundamentalHandbook 899I de la Ashrae /

=na alternativa para determinar la ganancia de calor por e"uipos de cocina es 3acer uso directo


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de los valores recomendados para estos. disponibles en los manuales de la Ashrae de 899; (899I/

El valor de carga latente se determina de los valores tabulados sin la necesidad de 3acerninguna co rreccin ecuacin 8 /

!anancia de calor por equipos de potencia (motores elctricos,

"eg#n la "name

0ara motores el)ctricos la ganancia de calor sensible puede ser calculada usando una de las dosecuaciones siguientes2


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Las e-iciencias de los motores se encuentran en el Cuadro G/

"eg#n la As$rae

0ara determinar la ganancia de calor producto de e"uipos "ue -uncionan con motores el)ctricos.es necesario tener en cuenta la ubicacin tanto del e"uipo como del motor "ue lo acciona/ Estaganancia de calor puede ser determinada directamente Cuadro I o a trav)s de las ecuaciones"ue se eAplican a continuacin/

Si tanto el e"uipo como el motor est n ubicados dentro del espacio acondicionado la ecuacin dec lculo de la ganancia de calor instant nea ser 2

P N la potencia nominal del motor en 50

N e-iciencia del motor. como una -raccin decimal menor a ;.9


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N -actor de usoD puede ser igual a ;.9 o una -raccin decimal menor a ;.9/ El -actor deuso se aplica cuando se conoce "ue el motor -uncionar en -orma intermitente con un tiemposigni-icativo de no uso del total de las 3oras de operacin/ 0ara aplicaciones convencionales estevalor ser igual a ;.9/

N -actor de carga "ue corresponde a la -raccin de la potencia nominal del eje "ue est

siendo desarrollada por el e"uipo bajo las condiciones de la carga de en-riamiento estimada/

Cuando el motor est ubicado por -uera del espacio acondicionado pero el e"uipo se encuentraen el interior. la ganancia de calor instant nea ser 2

Cuando el motor est ubicado dentro del espacio acondicionado pero el e"uipo conducido seencuentra en el eAterior. la ganancia de calor instant nea ser 2

El Cuadro I proporciona las e-iciencias promedio ( los datos representativos de motoresel)ctricos tpicos/

Si la carga del motor el)ctrico es una porcin apreciable de la carga de en-riamiento. la e-icienciadel motor debe obtenerse de los -abricantes/

#ormalmente la ganancia de calor debe ser dividida en partes iguales entre los componentesradiante ( convectivo para los c lculos de carga de en-riamiento. a menos "ue la literaturat)cnica de los -abricantes indi"ue otra cosa/

El componente radiante de la ganancia de calor sensible de e"uipos de potencia se retrasa paraconvertirse en carga de en-riamiento de la misma manera "ue las otras categoras de carga/ 0orello debe multiplicarse la ganancia de calor instant nea determinada mediante las ecuaciones8 . 8: ( 8@. por el -actor CLF/


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Como no eAiste componente de carga latente para los e"uipos de potencia. la carga deen-riamiento por este tipo de e"uipos ser 2

Clculo e%emploSe evalu el motor del ventilador6serpentn -an coil instalado en el cuarto de radio/ El motor es

de 50 ( puede ser operado en tres velocidades con consumo de ;8G Q/ 0ara e-ecto decomparacin se realiza el c lculo considerando "ue el motor opera a plena carga ( de -ormacontinua durante oc3o 3oras al da ( se apaga por control de temperatura ;I minutos por cada3ora de operacin/

Resultados seg#n la "name

Se emple el -actor de uso ( la e-iciencia del motor recomendados cuadros ( Grespectivamente /

Resultados seg#n la As$rae (- /,

El e"uipo ( el motor est n ubicados dentro del espacio acondicionado. por lo tanto se emplea laecuacin 8 /

Se consider el -actor de uso igual a 9.:I ( el CLF igual a ;. debido a "ue el e"uipo se apagadespu)s de las 3oras de trabajo/

Comparacin de resultados obtenidos

! partir de los ejemplos previamente desarrollados se realiz un cuadro comparativo para

determinar el incremento o decremento de la carga t)rmica al ser evaluada por ambos m)todosCuadro /

Coe&iciente global de trans&erencia de calor

=na de las limitantes de los resultados obtenidos en los c lculos de carga t)rmica desarrolladospor Lugo 899I ( Rodrguez 899 -ue 3acer uso directo de los valores del coe-iciente global detrans-erencia de calor tabulados en el Reporte de Aislamiento Trmico G6 de ;? de la Sname .los cuales se determinaron para estructuras aisladas con -ibra de vidrio. mientras "ue en lanodriza se utiliza poliuretano eApandido/ Es importante anotar "ue el uso de tales valores se


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justi-ic en sus estudios por no poseer datos disponibles para las estructuras navales aisladascon poliuretano ni las 3erramientas eAperimentales para evaluarlos/ *al limitante 3a sido elpunto de partida para justi-icar dentro de un pro(ecto en ejecucin el desarrollo de undispositivo de medicin "ue permita determinar los coe-icientes considerando las caractersticasde construccin de las envolventes de los bu"ues en Cotecmar/ El uso del reporte de la Snamepara los c lculos de dise'o del sistema de acondicionamiento de aire de las patrulleras de ro nogener e"uipos con capacidades in-eriores a las re"ueridas. por el contrario. se considera comoun -actor de seguridad adicional "ue se evidencia en el sistema instalado en la #odriza V$ el cualcumple con los re"uerimientos de temperatura ( 3umedad en cada uno de los espacios delbu"ue/ +esde el punto de vista energ)tico tal consideracin produce sistemassobredimensionados "ue representan p)rdidas de energa. ( por ende econmicas. en laeAplotacin del bu"ue/

! partir de los valores de conductividad t)rmica tabulados por la !s3rae 899I . se observ "ue

el poliuretano eApandido con densidad de empleado en la #odriza V$ es de menorconductividad UN 9.;@ Btu/in,-t8/3/ F . "ue el valor de las placas o losas de -ibra de vidrio

9.8 9 Btu/in,-t8/3/ F empleadas en el reporte de la Sname para determinareAperimentalmente el valor de =/ Basados en estos valores podramos a-irmar "ue el valor de =para las estructuras aisladas con poliuretano ser menor "ue el valor del reporte con -ibra de vi6drio/ !dicional a esto. las dimensiones de los re-uer6zos empleados en la actualidad en laconstruccin de bu"ues son muc3o ma(ores "ue los utilizados en los ensa(os del reporte. ( lageometra es di-erente re-uerzo en L para el reporte -rente a re-uerzo en * ( tipo bulbo de lanodriza . lo "ue incrementa el -lujo de calor en los puentes t)rmicos generados por lacon-iguracin de la estructura/ Eso trae consigo di-erencias sustanciales en los valores de U conres6pecto a las con-iguraciones de re-uerzos actuales. por lo "ue los valores de = tabulados noresultan adecuados 5art et al/. 899G /

0ara respaldar dic3a a-irmacin realizamos el c lculo del coe-iciente global de trans-erencia decalor empleando el m)todo de zona. recomendado por la !s3rae para estimar de -ormaaproAimada el -actor U de estructuras en las "ue se producen puentes t)rmicos. aun"ue !s3raemani-iesta "ue si el panel tiene una estructura met lica interna unida en uno o ambos lados a


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una cubierta met lica se produce un problema especial de -lujo de calor lateral "ue el m)todo nocubre Ashrae . 899I / 0or lo tanto. los c lculos -ueron realizados solo con el propsito demostrar las variables "ue a-ectan el desempe'o t)rmico de una estructura o panel "ue contieneun metal u otro material de alta conductividad "ue atraviesa total o parcialmente el aislamiento.( 3acer comparaciones entre las di-erentes geometras de los re-uerzos ( aislantes empleados enla nodriza con respecto a los ensa(ados en el reporte de la Sname/

Resaltamos "ue para estructuras como las presentes en la nodriza es recomendable 3acerevaluaciones eAperimentales mediante ensa(os en la caja caliente con caja de guarda o la cajacaliente calibrada. (,o 3acer uso de 3erramientas de simulacin computacional. para obtenerresultados con-iables ( precisos Ashrae . 899I /

El m)todo de zona re"uiere dos c lculos por separado2 uno para una porcin limitada escogida.ona !. "ue contiene el elemento con alta conductividadD el otro para la porcin restante m s

sencilla de la construccin. llamada ona B/ Se combinan los dos c lculos. ( se calcula el -actor= por unidad de rea total/

Se aplican las le(es b sicas de la trans-erencia de calor sumando las conductancias por reasCW! de los elementos en paralelo. ( sumando las resistencias por reas RW! de los elementos enserie/

La -orma de la super-icie de la ona A se determina a partir del elemento de metal/ 0ara unaviga de metal. la super-icie de la ona ! es una tira de anc3o W . en el centro de la viga/ El valorde W se calcula de la ecuacin emprica2


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donde.m N anc3o o di metro del -inal de la tra(ectoria de calor en el metal. en pulgadasD d N distanciadesde la super-icie del panel al metal. en pulgadas/ El valor de d no debe ser menor a 9.Ipulgadas para aire "uieto /

%ediante el m)todo de zona se evaluaron tres geometras de re-uerzo ( dos tipos deaislamientos/ El primer c lculo -ue realizado para el re-uerzo de acero angular per-il en L de

MX GM X PM. espaciados M entre re-uerzos con Mde aislamiento de -ibra de vidrio ( ;Mdeaislamiento alrededor del re-uerzoD estas son las caractersticas del re-uerzo ensa(ado en elreporte de la Sname r -ico 8! /

Luego se evaluaron las envolventes empleadas en Cotecmar en la construccin de la patrullerade ro #odriza V$/

La primera es un panel con re-uerzo en * de ;9M X M X PM espaciados 8GM entre re-uerzos. conMde aislamiento de poliuretano eApandido ( ;Mde aislamiento alrededor de la parte -inal del

re-uerzo r -ico 8B /

La segunda es un panel con re-uerzo tipo bulbo de M X PM espaciados 8GM entre re-uerzos. conM de aislamiento de poliuretano eApandidoD en los c lculos de este 1ltimo no se consider el

bulbo del re-uerzo r -ico 8C / En esta estructura en particular 3a( "ue anotar "ue en lapr ctica de instalacin del aislamiento por parte de los contratistas responsables. se observaronerrores puesto "ue la parte -inal del bulbo del re-uerzo no es completamente aislada ( lograestar en contacto con la l mina de acero galvanizado con la "ue se recubre el aislamiento. lo "uegenera un serio problema de -lujo de calor debido a la alta conductividad de los materialesmet licos en contacto/ Esto produce puntos o zonas de calor "ue resultan en ma(ores valores de=. ( por ende menor desempe'o t)rmico del sistema de aislamiento/


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Los resultados para el coe-iciente global de trans-erencia de calor se resumen en el Cuadro :/

Clculo de carga para un espacio del buque en estudio

0ara determinar la in-luencia del m)todo de c lculo de carga t)rmica en la capacidad -inal dele"uipo de acondicionamiento de aire se evaluaron cada una de los componentes de carga para ellocal estudiado. el cuarto de radio de la #odriza V$. ( mediante la metodologa de las curvas del

serpentn de la Trane Cor!oration Rodrguez. 899 . se determin la capacidad re"uerida parael cuarto de radio a partir de los resultados de carga t)rmica de ambas metodologas/

Se emplearon las ecuaciones previamente indicadas para cada componente de carga ( se 3izouso de los -actores U tabulados por la Sname en los c lculos de ambas metodologas debido a"ue los valores de U determinados por el m)todo de zona Cuadro : no pueden serconsiderados como datos de dise'o v lidos por los problemas de -lujo lateral "ue ge6neran lasestructuras evaluadas/ Como (a se mencion. para obtener valores aceptables es necesariollevar a cabo estimaciones eAperimentales o simulaciones computacionales/


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0or lo tanto. en la comparacin entre los m)todos de c lculo de carga t)rmica solo se eval1a elprocedimiento de c lculo ( los resultados obtenidos de los componentes de carga consideradossin tomar en cuenta las di-erencias en el coe-iciente global de trans-erencia de calor ( su e-ectoen las cargas por conduccin/

En el Cuadro @ se muestra un comparativo de las cargas calculadas/ Los valores tabulados parala Ashrae di-ieren de los calculados previamente en los ejemplos. debido a "ue estoscorresponden a los resultados obtenidos a la 3ora pico ; 3oras , G p/m/ "ue representa lama(or carga totalD esta resulta de las sumatorias de cada componente de carga individual paracada 3ora del da/

El Cuadro ? muestra la comparacin de las capacidades obtenidas a partir de los resultados decarga t)rmica para cada metodologaD tambi)n se muestran los valores de temperatura (entalpas del aire obtenidos de la carta psicrom)trica para el c lculo del -lujo de aire desuministro ( la capacidad del e"uipo/

%ediante la metodologa CL*+,CLF se obtuvo una menor capacidad re"uerida por el e"uipo deacondicionamiento de aire para suplir la carga demandada por el cuarto de radio/

Conclusiones

La metodologa para el dise'o de sistemas de aire acondicionado empleadas por el astillero deCotecmar en la construccin de bu"ues. ( se puede decir "ue por la industria astillera engeneral. se encuentra desactualizada pues a1n considera "ue la ganancia de calor producto delos di-erentes componentes se transmite de manera instant nea al espacio. lo cual es errado (a"ue realmente se produce el e-ecto de almacenamiento ( la ganancia de calor se transmite alespacio tiempo despu)s de 3aber sido producida/ *al e-ecto es considerado por el m)todoCL*+,CLF de la !s3rae mediante el -actor de carga de en-riamiento CLF/

Las cargas por conduccin de super-icies eApuestas no consideran la variacin en la di-erencia detemperatura debido a la localizacin latitudes di-e6rentes . los meses de dise'o ( la orientacinde las super-icies/

0ara el caso de la carga a trav)s de vidrios no se consideran las caractersticas del tipo de vidrio.

pues no se eval1a la carga por conduccin "ue tiene en cuenta el -actor = el cual depende de lascaractersticas del vidrio empleado. ( la carga producto de la radiacin solar no considera lasvariaciones debido al ngulo de incidencia de la radiacin ( las carac6tersticas de sombra delvidrio/

En la carga por iluminacin no se tiene en cuenta los e-ectos producidos por el tipo de luminaria( de balastro ni el e-ecto de almacenamiento t)rmico/

En la carga por personas se presentan di-erencias entre los valores tabuladosD los suministradospor la !s3rae son m s actuales "ue los recomendados por la Sname/

La carga por e"uipos de potencia representa la de ma(or di-erencia entre los dos m)todos dec lculo. siendo muc3o menor el resultado de la Sname/ Esto se debe a los bajos -actores de uso"ue recomienda en comparacin con el tiempo real de uso elevado del e"uipo evaluado unidad

terminal de suministro de aire ( las di-erencias entre las e-iciencias de los motores tabuladaspor ambas metodologas/ Es de anotar "ue los valores tabulados por la !s3rae corresponden adatos m s actuales. adem s esta. a di-erencia de la Sname. no considera el e-ecto de laubicacin del e"uipo ( el motor en la ganancia de calor/

0or otro lado. en la actualidad los coe-icientes globales de trans-erencia de calor tabulados por laSname son inadecuados para el dise'o del sistemas de aislamiento de las patrulleras de ro ( debu"ues en general ( en el c lculo del sistema de aire acondicionado debido a las di-erenciaspresentes en las dimensiones ( caractersticas geom)tricas de las envolventes del bu"ue ( en eltipo de aislamiento empleado/


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El uso de la metodologa de la !s3rae muestra una reduccin de ;I. IK en la capacidad realre"uerida para el local de estudio con respecto al valor obtenido por la metodologa de la Sname.sin considerar en los c lculos las di-erencias del -actor =/ Esto demuestra "ue el uso de laspr cticas recomendadas por la Sname para el dise'o de sistemas de acondicionamiento de aireen bu"ues puede generar e"uipos sobredimensionados/

Recomendaciones

0ara determinar el -actor U de estructuras como las presentes en el bu"ue nodriza. en las cualesse producen puentes t)rmicos. se re"uiere 3acer uso de evaluaciones eAperimentales basadosen el m)todo de caja caliente (,o 3erramientas de simulacin computacional !s3rae. 899I (5art et al/. 899G . debido a "ue los m)todos num)ricos de solucin disponibles en la literaturano cubren los e-ectos del -lujo de calor en dos ( tres dimensiones. producidos en paneles conestructuras met licas internas "ue atraviesen total o parcialmente el aislamiento. ( "ue est nunidas en uno o ambos lados a una cubierta o revestimiento met lico/ Como (a se a-irm. estotrae un problema especial de -lujo de calor lateral el cual est presente en la #odriza V$/ Lasevaluaciones eAperimentales ( simulaciones computacionales a"u recomendadas ser n desa6rrolladas dentro del marco del pro(ecto conjunto =*B6Cotecmar co-inanciado por Colciencias concdigo ;8GG6 8:6;?@9; titulado Yptimizacin Energ)tica de Bu"uesT/

0or otro lado. es necesario determinar los -actores CL*+ para las estructuras ( tipos de zonasencontradas en la construccin de bu"ues mediante el m)todo de las -unciones de trans-erencia.con el propsito de obtener valores m s precisos de la carga de en-riamiento al considerar lascaractersticas de dise'o propias de los bu"ues. antes "ue utilizar valores tabulados "ue no-ueron determinados para el tipo de construcciones presentes en estos/

Se recomienda evaluar la totalidad de locales acondicionados del bu"ue aplicando la metodo6loga CL*+,CLF para determinar como in-lu(e el procedimiento de c lculo de carga t)rmica en lacapacidad total del e"uipo de acondicionamiento de aire del bu"ue #odriza V$D adicional a elloveri-icar los resultados obtenidos al realizar los c lculos de carga de en-riamiento con losm)todos m s actuales desarrollados por la Ashrae m)todo de balance de calor (,o de serieradiante en el tiempo ( obtener as sistemas/

Se re"uiere evaluar en las envolventes instaladas la generacin de puntos calientes debido a lospuen6tes t)rmicos generados por los re-uerzos met licos 3aciendo uso de termogra-a. ( veri-icar"u) tanto a-ecta el desempe'o t)rmico de las estructuras aisladas la pr ctica de no aislarcompletamente la parte -inal de los re-uerzos menores r -ico 8C /


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Re&erencias

!s3rae. ;?:: . Fundamentals 5andbooU. !tlanta. =S!/

!s3rae. ;?@? . Fundamentals 5andbooU. !tlanta. =S!/

!s3rae. ;??: . Fundamentals 5andbooU. !tlanta. =S!/

!s3rae. 899; . Fundamentals 5andbooU. !tlanta. =S!/

!s3rae 899I . Fundamentals 5andbooU. !tlanta. =S!/

CO%0/ !ccommodation S(stemn/ Cat logo de productos

5art /. 5/. Fulton 0/ ( CoA / 899G . S3ip Con-igurations2 $nsulation +esign and !pplicationTZen lnea[. disponible en2 3ttp2,,444/sname/org,sections,san


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Cartagena. Colombia/

Sname ;? . *3ermal $nsulation Report/ *ec3nical and Researc3 Bulletin G6:/ #e4 OorU/

Sname ;?@9 . Recommended 0ractices -or %erc3ant S3ip 5eating. Ventilation and !irConditioning +esign Calculations/ *ec3nical and Researc3 Bulletin G6;/Sname. ;??8 . %arine Engineering. cap/ 8;/

Spitler. J/ +/. F/ C/ %cHuiston ( 7/ Lindse(/ ;?? / *3e CL*+,SCL,CLF Cooling Load Calculation%et3od. !s3rae *ransactions/ ?? ; 2 ;@ 6;?8/

; *ec3nical and Researc3 Bulletin G6; /8 Fundamentals 5andbooU/ !s3rae/ ;?::/
http://www.shipjournal.co/index.php/sst/rt/printerFriendly/12/66#1http://www.shipjournal.co/index.php/sst/rt/printerFriendly/12/66#2http://www.shipjournal.co/index.php/sst/rt/printerFriendly/12/66#1http://www.shipjournal.co/index.php/sst/rt/printerFriendly/12/66#2

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