2 sicrometria y procesos sicrometricos
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SicrometríaProcesos Sicrométricos
Experto Universitario enClimatización2007-2008
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E. U. Climatización Sicrometría
MÓDULO 1.- FUNDAMENTOS DE LA CLIMATIZACIÓN
• SICROMETRÍA
• TRANSMISIÓN DE CALOR
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E. U. Climatización Sicrometría
BIBLIOGRAFÍA
• Documentos Técnicos de ATECYR• DTIE 3.01
• Calefacción, ventilación y A.A.• Mc Quiston• Ed. Limusa
• ASHRAE, Handbook• Fundamentals 1997
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E. U. Climatización Sicrometría
CONTENIDO
• Primera parte: Variables sicrométricas
• Segunda parte: Diagramas
• Tercera parte: Procesos sicrométricos
• Cuarta parte: Espacios acondicionados
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
Primera parte
Variables sicrométricas
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
1.- INTRODUCCIÓN
Propiedades termodinámicas del aire húmedo
• SicrometríaAnaliza procesos relacionados con el aire húmedo
Fórmulas de Hyland y Wexler: 1.983 Propiedades termodinámicas
Aire húmedo y agua
• Herramientas Alternativa Relaciones de los gases perfectosErrores < 0,7 %
Carrier (1.911) Cartas sicrométricas
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
1.- INTRODUCCIÓN
• Método de análisis• Balance de masas• Balance de energía• Estados inicial y final
• Importancia• Variables a controlar en climatización
– Temperatura– Humedad relativa
• Materia prima: Aire atmosférico
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
2.- AIRE HÚMEDO: COMPOSICIÓN
• Aire atmosférico• Aire húmedo
– Aire seco» Diversos componentes gaseosos» Relativamente constante» Masa molecular Ma = 28,97 kg/kmol» Constante de gas perfecto Ra = 287 J/kg-K
– Vapor de agua» Variable entre 0 y máximo» Masa molecular Mv = 18,02 kg/kmol» Constante de gas perfecto Rv = 462 J/kg-K
• Contaminantes gaseosos diversos
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
Composición del aire seco
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
3.- RELACIONES DE GAS PERFECTO
• Comportamiento individual• Aire seco Gas perfecto: • Vapor de agua Gas perfecto:
Justificación
TRnVp aa =
TRnVp vv =
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
3.- RELACIONES DE GAS PERFECTO
• Comportamiento de la mezcla
• Cumple la ecuación de los gases perfectos
TRnVp =
va ppp +=
( ) ( ) TRnnVpp vava +=+
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Relación de humedad o humedad absoluta• Definición
• Deducción
a
v
mmW =
v
v
pppW−
= 622,0
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Aire Saturado
• Aire recalentado
( )tpp sv =1
( )tpp sv <2
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Grado de saturación
• Humedad relativa
• Relación• Aire seco
• Aire saturado
• General
tpsWW
,
=μ
pts
v
pts
v
tpvs
v
pp
xx
,,,ρρφ =≅=
0== φμ1== φμ
φμ <
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Humedad relativa
Estado 1: Estado 2: Estado 3:1vp 12 vv pp > ( ) 213 vsv ptpp >=
1003
1 ×=tv
v
ppφ
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Punto de rocío: tR
• Se obtiene por enfriamientoa W = cte
• A partir de tR, evolucionapor la curva
• Pérdida de agua• Bajada de pV
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Punto de rocío
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Aplicaciones del concepto de tR: Condensación en vidrios
LOCALAIREROCIOVIDRIO tt <
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Aplicaciones del concepto de tR: Condensación en conductos
ECIRCUNDANTAIREROCIOCHAPA tt <
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Aplicaciones del concepto de tR: Condensación en baterías
RETORNOAIREROCIOBATERÍA tt <
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SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Volumen específico
amVv =
( )p
WTRv a 6078,11+=
( ) ( ) pWtv /6078,1115,2732871,0 ++=
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4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Entalpía
• Elección de un origen
va iWii +=
( )tii =
( )[ ]CLtcWtci Vpvpa º0++=
[ ]2501805,10,1 ++= tWti
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E. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Temperatura de saturación adiabática• Añadir a p y t una propiedad para definir el estado del aire• Las anteriores sirven pero no son fáciles de medir (W,Φ,i)
• Dispositivo
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4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Definición: t2*=t2
• Balance de energía
• Conclusión:
( ) ∗∗∗∗∗ +=−++ 22212111 vsawsva iWiiWWiWi
( )∗
∗∗∗
−
+−=
wv
fgspa
iiiWttc
W1
22121
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E. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
( ) ( )21211
22121 ,,, ppttf
iiiWttc
Wwv
fgspa ∗∗
∗∗∗
=−
+−=
• Conclusiones finales
– t2* es una propiedad del aire de entrada– Para cualquier estado de aire húmedo, existe una temperatura a
la que el agua líquida evapora en el aire para llevarlo a la saturación exactamente a esta misma temperatura y presión
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E. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
Temperatura de bulbo húmedoSicrómetro
– Simulador práctico del saturador adiabático– Dos termómetros
• Bulbo seco: simula t1• Bulbo húmedo: simula t2*• P1 = P2 = Patm
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E. U. Climatización Sicrometría
4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO
• Proceso en el termómetro húmedo• Combinación de procesos de transferencia
» Transferencia de calor» Transferencia de masa
• Distinto del saturador
• Conclusión• Si el sicrómetro se usa bien ..2 HBtt ≅∗
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Segunda parte
Diagramas sicrométricos
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5.- DIAGRAMAS SICROMÉTRICOS
• Hasta aquí: Expresiones analíticas
• Otra posibilidad: Diagramas sicrométricos• Ventajas• Tipos: Carrier, Mollier, Ashrae
• Fases+Libertades=Componentes+2
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5.1.-DIAGRAMA DE CARRIER
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E. U. Climatización Sicrometría
5.2.- DIAGRAMA DE MOLLIER
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E. U. Climatización Sicrometría
5.3.- DIAGRAMA DE ASHRAE
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Tercera parte
Procesos sicrométricos
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6.- PROCESOS SICROMÉTRICOS
• Procesos simples– Yuxtaposición Procesos complejos de Climatización
• Herramientas– Balance de energía– Balance de masas– Manejo de funciones de punto– Cartas sicrométricas
• Aproximaciones– Presión constante : 101,325 kPa– Valores promedios de las propiedades
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6.1.- CALENTAMIENTO SENSIBLE
• Aportación de calor sin cambio de humedad
• Representación gráfica
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6.1.- CALENTAMIENTO SENSIBLE
• Balance de energía:
• Balance de masa:
• No conservación de caudales:
• Aproximación:
• Justificación:
( )12 iimq a −= &&
aaa mmm &&& == 21
21 VV ≠
VVV =≅ 21
kgmvv
3
21 833,0≅≅
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• Realización práctica
• Proceso defectuoso– Humedad relativa final muy
baja
• Expresiones prácticas
6.1.- CALENTAMIENTO SENSIBLE
( ) ( ) ( )[ ]121212 ttcWttcmiimq pvpaaa −+−=−= &&&
( )12 ttcmq paa −= && ( )12 ttcvVq pa −=&
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E. U. Climatización Sicrometría
6.1.- CALENTAMIENTO SENSIBLE
CkgkJ
Ckgkcalc
aa
pa º1
º24,0 ==
CkgkJ
Ckgkcalc
vv
pv º86,1
º45,0 ==
( ) ( ) ( )121212 30,029,0833,0
24,0 ttVttVttVq −≅−≅−=&
( ) ( ) ( )121212 2,1 iiViivViimq −≅−=−= &&
akgmv
3
833,0=
•Expresiones prácticas con valores numéricos
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6.2.- ENFRIAMIENTO SENSIBLE
• Pérdida de calor sin
cambio de humedad
• Limitación
• Balances: Apartado anterior
• Aplicación: Recuperadores de calor
] ]AIRERCAMBIADORR tt >
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E. U. Climatización Sicrometría
6.3.- MEZCLA ADIABÁTICA DE DOS CORRIENTES
• Frecuente en Aire Acondicionado
• Balances de materia y energía:
321 aaa mmm &&& =+
332211 WmWmWm aaa &&& =+
332211 imimim aaa &&& =+
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E. U. Climatización Sicrometría
Conclusión:
– Regla de la palanca inversa– ASHRAE– Mollier
Aproximación
– Regla de la palanca inversa– Carrier
Extensión a caudales volumétricos
6.3.- MEZCLA ADIABÁTICA DE DOS CORRIENTES
2
1
13
32
13
32
a
a
mm
wwww
iiii
&
&=
−−
=−−
2
1
13
32
a
a
mm
tttt
&
&≅
−−
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6.4.- FACTOR DE BY-PASS DE UNA BATERÍA
fs
fs
f
f
total
tratadono
TTTT
iiii
mm
FB−
−=
−
−==
1
2
1
2
&
&•Definición
•Concepto
Ideal: Ts2 = Tf
Real: Ts2 < Tf
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6.4.- FACTOR DE BY-PASS DE UNA BATERÍA
( )12 iiFBii ff −⋅−=
( )12 ttFBtt ff −⋅−=
•Condiciones de salida
•Calor intercambiado
( ) ( )( )112 1 iiBFmiimq faasens −−=−= &&&
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6.4.- FACTOR DE BY-PASS DE UNA BATERÍA
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6.5.- ENFRIAMIENTO Y DESHUMECTACIÓN
• Proceso simple pero dos fenómenos simultáneos
• Típico de instalaciones de verano
• Realización práctica
INICIALFINAL tt < INICIALFINAL WW <
AIREROCIOADP tt <
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6.5.- ENFRIAMIENTO Y DESHUMECTACIÓN
• Proceso ideal: 1-b• Proceso real en una batería: 1-2
– Riguroso: Línea de puntos
• Balances:– Solo depende de 1 y 2– Cualquier camino ficticio
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6.5.- ENFRIAMIENTO Y DESHUMECTACIÓN
• Formulación.- 1ª opción: Planteamiento global
• Balance de energía
• Balance de agua en el aire
• Global
wwaa imimQim &&&& ++= 21
waa mWmWm &&& += 21
( ) ( ) waa iWWmiimQ 2121 −−−= &&&
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6.5.- ENFRIAMIENTO Y DESHUMECTACIÓN
• Formulación.- 2ª opción: 1 2 = 1 A + A 2
• 1 A: Proceso de deshumectación:
• A 2: Enfriamiento sensible:
1ttA = 1WWA <
( ) ( )AAaLAT WWLvViimQ −=−= 11&&
( ) ( )211 72,072,0 WWVWWVQ ALAT −=−=&
AWW =2 Att <2
( ) ( )22 ttcvViimQ APaAaSENS −=−= &&
LATSENTOTAL QQQ &&& +=
( ) ( )212 29,029,0 ttVttVQ ASENS −=−=&
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6.5.- ENFRIAMIENTO Y DESHUMECTACIÓN
• Balance en la batería
• El agua no distingue si el calor que le cede el aire es sensible o latente
AGUAAGUAAGUAAIRE tmQQ Δ== &&&
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6.6.- FACTOR DE CALOR SENSIBLE
• Tiene otros nombres: R.O.P.; R.M.P.; Factor Térmico
• Definición
• Caracteriza a la transformación
• Se muestra en los sicrométricos
• Puede ser positivo y negativo
A
A
TOTAL
SEN
iiii
qqFCS
−−
==1
2
&
&
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6.7.- CALENTAMIENTO Y HUMECTACIÓN
• Proceso habitual en invierno
• Evolución del aire en el local en verano
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• Balance de energía
• Balance de aire seco
• Balance de agua
2211 imimqim awwa &&&& =++
2211 WmmWm awa &&& =+21 aa mm && =
• Resumen– Ecuación de una recta que une los estados inicial y final– Recta de maniobra del proceso– Utiliza la escala circular del sicrométrico– Tiene unidades– Puede ser positiva o negativa– Separación en dos procesos
totalaguadeMasatotalEnergíai
mq
WWii
Wi
ww
=+=−−
=ΔΔ
&
&
12
12
6.7.- CALENTAMIENTO Y HUMECTACIÓN
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6.8.- RECTA DE MANIOBRA
• Extensión a otros procesos– Calentamiento sensible– Enfriamiento y deshumectación
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6.9.- RECTA DE MANIOBRA FRENTE A FCS
• Preferencias• Evolución del aire en los locales: FCS
• Procesos de humectación: RM
• Dimensionalidad
RMFCS 541.21−≅
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6.10.- HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA DEL AIRE
• Suministro solo de humedad– Ningún otro tipo de energía
• Hipótesis: Toda la humedad aportada es retenida por el aire
• Caso particular de calentamiento y humectación
wiWi=
ΔΔ
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6.10.- HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA DEL AIRE
• Análisis del nomograma ASHRAE– Variación: + ∞ a - ∞
• Teoría: Cualquier trayectoria es posible• Práctica: Agua suministrada:
10ºC líquida a 120ºC vapor saturado
• Rango de
wiWi=
ΔΔ
Wi
ΔΔ
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6.10.- HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA DEL AIRE
1SAGUA TT >
11 HAGUAS TTT >>
1RAGUA TT <
1SAGUA TT >
11 RAGUAH TTT >>
1HAGUA TT = C
B
AD
E
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6.11.- EFICIENCIA DE UN HUMECTADOR
1
12
1
12
1
12
sw
ss
wwtotal
tratado
TTTT
WWWW
iiii
mm
EFI−−
=−−
=−−
==&
&
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6.11.- EFICIENCIA DE UN HUMECTADOR
( )
( )
( )112
112
112
100
100
100
ttEFItt
WWEFIWW
iiEFIii
w
w
w
−+=
−+=
−+=
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6.12.- HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA DEL AIRE CON VAPOR
21 imimim avva &&& =+
21 WmmWm ava &&& =+
Balances
( )vvv tftiWWii
Wi
=+==−−
=ΔΔ 805,1501.2
12
12
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6.13.- FLUJO DE AIRE SOBRE UN ABSORBENTE
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Cuarta parte
Espacios acondicionados
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ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
•Sistema de A.A.: Dos o mas procesos básicos
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Datos de partida:
•Condiciones a mantener
Cargas térmicas del local
Requerimiento de aire exterior
Requerimiento de aire de retorno
Condiciones exteriores
Podría añadirse un tratamiento del aire exterior
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
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ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
Paso 1º: Recta de Operación del Local
• Pasa por las condiciones del local (3)
• Su inclinación viene dada por el FCS del local
• El aire de impulsión (2) debe estar en dicha recta
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ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
Paso 2º: Ubicación del punto (2) en la R.O.L.
• Características de operación del equipo
• Condiciones de confort
• ¿t2 muy cerca de t3?
• ¿t2 muy lejos de t3?
• Ubicación de compromiso
• Posibilidad de un proceso iterativo
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ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
Paso 3º: Obtención del caudal de aire impulsado: V2
• Balance de energía en el local
] ( )232 iimq aLocalt −= &&
]( )23
2 iiq
m Localta −=&
& 222 .vmV a&=
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
Paso 4º: Obtención del estado 1 de entrada al climatizador
• Balance de masas en la caja de mezcla
• Regla de la palanca inversa
4012 aaaa mmmm &&&& +==
0
00 v
Vma =& 024 aaa mmm &&& −=
1
0
0313
a
a
mm&
&=
−−
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
Paso 5º: Recta de Operación de la Batería (R.O.B.)
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
Paso 6º: Calor total eliminado en la batería
• Balance de energía en la batería ] ( ) ]LocaltaBatt qiimq &&& >−= 211
] ] BatBatTBatS FCSqq .&& =• Factor de Calor Sensible Total
– Dado por la inclinación de la R.O.B,– Obtener en el sicrométrico ] ] ( )BatBatTBatL FCSqq −= 1.&&
• Características de la batería– Objetivos de la iteración
• Temperatura superficial: tb• Factor de by-pass de la batería
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
Primera modificación: Calor ganado en ventiladores y conductos
• Se manifiesta como calor
sensible
• La R.O.L. no se modifica
• La R.O.B. si se modifica
• La potencia requerida en
la batería es mayor
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
Segunda modificación : Aire exterior cálido y húmedo
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano
Tercera modificación : Aire exterior cálido y húmedo
• Primera: Aire exterior (sin evaporativo) mezclado con retorno = 1Enfriamiento sensible hasta llegar a 2
• Segunda: Aire exterior (con evaporativo) mezclado con retorno = 1’Enfriamiento sensible hasta llegar a 2
• Tercera: Aire exterior se enfría en el evaporativo hasta 1’’Enfriamiento sensible hasta llegar a 2
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 2: Situación clásica de invierno
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 2: Situación clásica de invierno
• Obtención de la R.O.L.• Ubicación del punto de impulsión en la misma: Caudal• Obtención del punto de mezcla: 1• Evaluación de los procesos de calentamiento y humectación
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 2: Situación clásica de invierno
• Balance de energía en la batería
• Balance de energía en la batería ( )122 WWmm av −= &&
] ( )12 .. ttcmq ApaCalentS −= &&
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 2: Situación clásica de invierno
Primera modificación: Precalentamiento del Aire Exterior
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 2: Situación clásica de invierno
Primera modificación: Precalentamiento del Aire Exterior
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 3: Método del Factor de By-pass
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 4: Carga latente elevada
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 6: Enfriamiento por evaporación
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 6: Enfriamiento por evaporación
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 7: Enfriamiento por evaporación con pulverizadores auxiliares
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E. U. Climatización Sicrometría
ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 7: Enfriamiento por evaporación con pulverizadores auxiliares