proyecto de monitoreo y control para las unidades
TRANSCRIPT
1
PROYECTO DE MONITOREO Y CONTROL PARA LAS UNIDADES MANEJADORAS DE
AIRE DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO POR AGUA HELADA DEL NUEVO
EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE CANTV
Autor: Ricardo González G.
Tutor: Profesor J. M. Marino.
Caracas, Marzo del año 2000
El problema de aire acondicionado existente en el Nuevo Edificio
Administrativo (NEA) de CANTV, consiste en la mala distribución del aire a los
ambientes acondicionados ya que las unidades de manejo de aire carecen de la
instrumentación y dispositivos adecuados para poder controlar el flujo de aire y la
temperatura del mismo, lo cual se ha convertido en un problema que abarca a los
usuarios del mencionado edificio.
Para solventar este problema se propone un sistema de control que regula la
salida de aire de las unidades de manejo de aire y a su vez controla el paso de agua
fría por el serpentín, controlando de esta forma la temperatura de suministro de aire.
El sistema propuesto es totalmente automático y tiene la capacidad de ser
visualizado y controlado a través de una estación de trabajo o computadora, que
almacenará toda la información en cuanto al funcionamiento y operación de los
equipos del sistema de aire acondicionado.
Con la incorporación de estos dispositivos, no sólo se persigue resolver el
problema antes mencionado, sino que también se logrará un ahorro de energía notable
al crear una rutina de operación de las unidades de aire acondicionado para evitar que
éstas funcionen en horarios innecesarios.
2
El objetivo de este trabajo se centra en la resolución de un problema existente
en las instalaciones de la Compañía Anónima de Teléfonos de Venezuela (CANTV),
el cual consiste en la mala y deficiente distribución del aire acondicionado y la falta
de un adecuado control de las unidades de manejo de aire que dan servicio a tan
importante edificación.
Con el fin de describir el desarrollo del proyecto realizado para dicha
compañía, se presenta el siguiente trabajo que explica en forma detallada, todos los
pasos y tareas realizadas para la elaboración del mencionado proyecto.
El trabajo consta de siete capítulos. En primer lugar, un marco teórico, que
sirve de guía al lector para poder comprender los términos utilizados a lo largo del
trabajo. Luego, el procedimiento de la investigación, capítulo en el cual se muestran
los pasos seguidos para investigar, recopilar y estudiar la información que sirvió de
base fundamental para la elaboración de este proyecto. Sigue una memoria
descriptiva, la cual detalla en forma resumida el proyecto en general. La memoria de
cálculos, presenta los cálculos realizados con el fin de llevar a cabo la selección de
equipos. Luego siguen los resultados, el análisis de resultados y finalmente las
especificaciones técnicas generales, donde se pueden apreciar las características de
los equipos seleccionados.
En este trabajo se puede encontrar la información necesaria que puede recurrir
quien necesita conocer acerca de los sistemas de automatización y control de
unidades de manejo de aire en los sistemas de agua helada.
3
INTRODUCCIÓN
En esta sección se dará una explicación y descripción teórica de los equipos y
elementos que forman parte del proyecto. En la misma se describen los procesos de
funcionamiento enfocados hacia el tema tratado en este trabajo.
La información presentada a continuación es producto de la recopilación de
datos, tanto prácticos como teóricos, durante las primeras fases del proyecto
industrial.
Se presentan a su vez ilustraciones donde se describe de manera más precisa
la disposición de los equipos mencionados en el marco teórico.
4
I.1.- SISTEMA DE AGUA HELADA:
Los sistemas de aire acondicionado por agua helada están diseñados para su
uso en edificaciones de gran tamaño como: hoteles, centros comerciales, edificios
administrativos, etc, donde es requerido disipar una alta carga térmica.
Su principio se basa en el empleo del agua como elemento refrigerante ya que
es más conveniente dada la cantidad de refrigerante requerido, así como por otras
razones como el ahorro de energía y la protección del medio ambiente. Los sistemas
de agua helada constan de dos tipos de refrigerantes. El primario, agua, que es el
utilizado para enfriar el aire, y el secundario, un refrigerante químico, que es utilizado
para enfriar el agua.
El sistema de agua helada consta de dos circuitos de circulación de agua: uno
cerrado, conformado por los enfriadores de agua, bombas de agua helada, tuberías y
unidades manejadoras de aire. Otro, denominado abierto, lo constituyen los
condensadores, tuberías de agua de condensación, torres de enfriamiento y bombas
que asisten a la circulación del agua de condensación. Es de hacer notar que el
enfriamiento de agua y la condensación de refrigerante ocurren dentro de la misma
unidad, pero se citan de manera separada para diferenciar el sistema abierto del
sistema cerrado.
5
A continuación se describirán los distintos componentes que conforman el
sistema de agua helada:
I.1.1.- ENFRIADOR DE AGUA (CHILLER):
Este elemento está constituido básicamente por una unidad compresora, un
evaporador y un condensador. Una vez que el refrigerante es comprimido, pasa por el
condensador para luego expandirse y pasar por el evaporador (intercambiador de
calor de concha y tubo) donde ocurre la transferencia de calor entre el refrigerante y
el agua. Una vez que el refrigerante sale del evaporador es comprimido para cumplir
un nuevo ciclo. El agua que entra al evaporador se enfría y es bombeada hacia las
unidades de manejo de aire.
Los compresores de los enfriadores de agua pueden ser: reciprocantes,
centrífugos o de tornillo.
Los compresores reciprocantes son empleados para edificaciones pequeñas ya
que su capacidad varía entre 25-200 tons. Por otro lado, los compresores centrífugos
pueden manejar grandes cantidades de refrigerante lo cual aumenta su capacidad
notablemente (1.300 tons). El compresor de tornillo es muy empleado en el
acondicionamiento para las industrias químicas y de alimentos.
A su vez, los enfriadores de agua se dividen según el tipo de condensación, la
cual puede ser por aire o por agua. En la condensación por aire se dispone de
unidades que son instaladas en terrazas o sitios abiertos a la atmósfera para poder
disipar el calor por medio de ventiladores. Existen los de condensación por torre de
enfriamiento, la cual disipa el calor del agua del condensador.
6
Fig.I-1 Enfriador de agua.
Nota: Las fotografías fueron tomadas en las instalaciones de CANTV, exclusivamente para la ilustración de este
trabajo.
I.1.2.- UNIDAD MANEJADORA DE AIRE (UMA):
La unidad de manejo de aire es el elemento encargado de suministrar el aire
frío al ambiente acondicionado. Dentro de sus componentes tenemos: el ventilador
centrífugo, que se encarga de mantener el flujo de aire que entra y sale de la UMA.
Por otro lado se encuentra el serpentín de enfriamiento, en el cual ocurre la
transferencia de calor entre el agua fría y el aire de suministro.
El aire que es suministrado al ambiente acondicionado es, en la mayoría de los
casos, una mezcla de aire fresco y aire de retorno. En algunas aplicaciones específicas
el suministro es sólo de aire fresco, como por ejemplo en quirófanos, laboratorios u
otros sitios donde se requiera un aire cien por ciento puro. Para lograr un nivel de
pureza adecuado en el aire de suministro, las UMAS constan de filtros de aire capaces
7
de retener las partículas de polvo e incluso otros agentes contaminantes como en el
caso de los filtros con carbón activado los cuales retienen el humo y los malos olores
que retornan a la unidad.
Para la distribución del aire, estas unidades están asociadas a una ductería de
suministro, la cual posee rejillas difusoras ubicadas en el ambiente acondicionado.
Para controlar el flujo del aire existen diversos dispositivos según el modelo y la
capacidad de la unidad. Existen las denominadas UMAS multizonas las cuales tienen
la capacidad de distribuir el aire por ramales independientes desde la salida de la
unidad a cada zona acondicionada, controlando el aire por medio de compuertas
(dampers) que direccionan el aire en cada una de las salidas de la UMA. Por otro
lado, se encuentran las unidades monozonas que cuentan con una salida de la
ductería, la cual se ramifica posteriormente a los ambientes acondicionados. Este
modelo es el más común ya que permite efectuar un control de manera más fácil en
el flujo de aire de suministro. Las unidades de manejo de aire pueden ser de
diferentes modelos y capacidades según su aplicación.
Fig.I-2 Unidad de manejo de aire multizona.
8
I.1.3.- TORRES DE ENFRIAMIENTO:
Las torres de enfriamiento en los sistemas de agua helada cumplen la función
de enfriar el agua de condensación que utiliza el condensador. Estas torres constan de
ventiladores, los cuales pueden ser axiales para el tiro inducido, ubicados en la parte
superior de la torre, o centrífugos en la parte inferior para las torres con tiro forzado y
que se encargan de generar la corriente de aire que circula en contra flujo con el agua
que cae por las bandejas acanaladas, disipando el calor del agua.
Fig.I-3 Torre de enfriamiento marac Baltimore Air Coil.
9
I.1.4.- BOMBAS DE CIRCULACIÓN DE AGUA:
Las bombas de circulación de agua se dividen en dos grupos: las que asisten
la circulación del agua helada y las bombas del agua de condensación.
Las primeras se encargan de mantener la circulación del agua helada que sale
de los enfriadores hacia las unidades de manejo de aire, mientras que las bombas del
agua de condensación mantienen el flujo desde el condensador hacia las torres de
enfriamiento y las mismas no aplican en el caso de los sistemas de condensación por
aire en donde no se emplean las torres de enfriamiento.
Las bombas utilizadas en los sistemas de agua helada son bombas centrífugas
y no poseen características adicionales a otras bombas por pertenecer a este sistema.
Su capacidad se calcula según los galones por minuto totales que pueden manejar los
enfriadores, los cuales indican a su vez el número de bombas requerido para el
sistema. En el caso de las bombas de agua helada, se incluyen como accesorios las
juntas de expansión y el aislante térmico requerido para mantener la temperatura del
agua dentro de las tuberías.
Se pueden encontrar arreglos diferentes de bombas, bien sea en serie o en
paralelo dependiendo de la demanda de agua y la altura de la edificación. Es
importante destacar que en la mayoría de los casos las bombas de agua helada se
instalan antes del enfriador para evitar las pérdidas de calor que pudieran suceder en
la bomba, sin embargo hay sistemas en donde las bombas se ubican a la salida del
enfriador y bombean el agua directamente hacia la unidad de manejo de aire. Esta
disposición depende de la capacidad que tenga el enfriador para soportar la presión de
la bomba.
Estos son los elementos básicos que conforman un sistema de agua helada de
condensación por torre de enfriamiento.
10
Fig.I-4 Conjunto de bombas del agua de condensación.
Fig. I-5 Bomba de agua helada.
11
I.2.- CONTROL DE TEMPERATURA EN LAS UNIDADES MANEJADORAS DE
AIRE:
Para determinar los elementos o dispositivos de control que se van a
implementar en un sistema es necesario conocer en primer lugar las variables o
funciones que se desean controlar o modificar. Una vez establecidas dichas variables,
se requiere plantear la respuesta o la función que se quiere lograr con la modificación
de las variables antes mencionadas. Cuando se determinan ambos parámetros, de
entrada y salida, se debe establecer el medio por cual se va a ejecutar el cambio o la
modificación deseados.
En términos generales, se requieren establecer las variables a controlar, las
variables controladas y el dispositivo que hace posible el control sobre dichas
variables.
En el caso de los sistemas de aire acondicionado, existen diversos parámetros
que se pueden controlar a través de un controlador. Sin embargo, todas las variables
son modificadas con el fin de controlar una en especial: la temperatura del ambiente
acondicionado.
La temperatura del ambiente acondicionado es la variable principal que se
requiere controlar ya que de ella dependen otras variables como el confort de los
usuarios o el funcionamiento de los equipos ubicados dentro de dicho ambiente. No
obstante, para poder controlar la temperatura hay que manipular y controlar otra serie
de variables secundarias que forman parte del sistema.
Un sistema de monitoreo y control es aquel que permite controlar y visualizar
una situación determinada a través de dispositivos que ejecutan una operación de
orden lógico sobre la instrumentación de los equipos basado en la comparación de
una señal de entrada con un parámetro preestablecido.
Es importante diferenciar este sistema del sistema inteligente el cual, además
de controlar, tiene capacidades superiores como lo es el registro de la tendencia de
funcionamiento en el tiempo de los equipos, así como la corrección automática de los
errores cometidos durante dicho período. En otras palabras, el control inteligente es el
12
que tiene la capacidad de tomar una decisión por si mismo basándose en la curva de
funcionamiento de un equipo determinado a través del tiempo.
Para comprender mejor la lógica de control de una unidad de manejo de aire
es necesario aclarar el principio de funcionamiento y circulación de los fluidos que la
misma maneja.
La unidad se puede dividir en dos sistemas por separado: el sistema de manejo
de aire y el sistema hidráulico constituido por el agua helada de alimentación y
retorno.
En primer lugar, la unidad manejadora suministra un caudal determinado de
aire a un ambiente. Como se mencionó anteriormente, la temperatura del ambiente es
la variable principal que se quiere controlar y para lograrlo es necesario regular el
flujo de aire que se suministra. Dicho flujo se controla por medio de unas compuertas
(dampers) ubicadas a la salida de la UMA y que se abren o cierran gradualmente
dependiendo del caudal requerido para vencer la carga térmica. Para automatizar
estas compuertas directoras, es necesario incorporar los denominados actuadores
(modutroles) que efectúan el movimiento requerido (lineal o rotatorio) para moverlas.
Así mismo, se requiere establecer el parámetro según el cual se van a abrir o cerrar
las compuertas. Para ello se determina la temperatura ideal o de confort que se desea
tener en el ambiente acondicionado. Para registrar dicha temperatura se utilizan los
sensores de temperatura ambiente los cuales registran este valor y envían una señal
para que los actuadores ejecuten su operación. Para interconectar la señal de entrada
(temperatura) con la de salida (actuadores) se utilizan los controladores, los cuales
reciben la señal de entrada y emiten una respuesta de salida.
Por otro lado se encuentra el sistema hidráulico, a través del cual fluye el agua
helada hacia el serpentín de enfriamiento.
El control de este sistema se efectúa regulando el caudal de agua que circula
por el serpentín, para lo cual se utiliza una válvula reguladora de flujo que abre o
cierra según sea la demanda de agua requerida por la UMA. Al aumentar o disminuir
el paso de agua por el serpentín se está variando directamente la temperatura del
mismo y, como consecuencia, la temperatura del aire que intercambia calor con el
13
serpentín también varía. Para controlar dicha válvula en forma automática, se
procede de manera similar que en el caso del aire, estableciendo un patrón o rango de
temperatura (considerada ideal) del agua. Para registrar dicha temperatura se
emplean sensores de inserción o termocuplas colocados en la tubería los cuales
sensan la temperatura del agua. Por otro lado, se utiliza un actuador sobre la válvula,
el cual ejecuta el movimiento necesario para abrir o cerrar la misma. El controlador
recibe la señal de entrada del sensor de temperatura y envía una respuesta al actuador
para que regule el paso de agua con la válvula según sea el requerimiento. Es
importante destacar que, en la mayoría de los casos, la válvula reguladora se ubica en
la tubería de retorno con el fin de garantizar que el serpentín quede lleno de agua. Sin
embargo, hay aplicaciones donde se instala la válvula en la tubería de suministro.
A continuación se describirá con más detalle el funcionamiento de los equipos
principales de control de temperatura para una unidad manejadora de aire de agua
helada.
I.2.1.- VÁLVULA MOTORIZADA O AUTOMODULANTE :
Esta válvula cumple la función de regular el flujo de refrigerante hacia el
serpentín de la unidad de manejo de aire.
Dichas válvulas pueden ser de diversos tipos (compuerta, globo mariposa,
etc.), pero la más recomendada para regular el flujo es la válvula de globo. También,
se pueden clasificar en válvulas de dos vías, para uso convencional, o de tres vías,
para sistemas con tubería de “by-pass”.
El sistema motorizado de la válvula consta de un actuador, el cual, en la
mayoría de los casos, está incorporado de fábrica a la misma.
La selección de una válvula y un actuador adecuado es determinante para el
correcto funcionamiento del sistema y depende del caudal, del diámetro de la tubería
y del torque de cierre (close-off).
14
I.2.2.- ACTUADOR:
El actuador es un servo mecanismo que generalmente efectúa un movimiento
rotatorio y que es empleado para actuar sobre dispositivos tales como válvulas,
compuertas directoras de caudal o cualquier otro elemento que lo requiera.
Su selección depende principalmente del torque que debe vencer, que en el
caso del aire está dado por la presión de cierre de las compuertas directoras y para las
válvulas por la presión de cierre de la misma.
Este mecanismo por lo general posee una tarjeta electrónica que recibe una
señal que indica la operación que debe ejecutar (abrir o cerrar), sin embargo, en los
grandes sistemas, los actuadores están comunicados con un controlador principal que
recibe las señales de los diferentes sensores y comanda las señales de salida a los
actuadores.
Es importante aclarar que los actuadores son conocidos también como
“modutroles”, nombre que les fue dado por una marca comercial, por lo que la
denominación correcta es la de actuador.
I.2.3.- CONTROLADOR :
Un controlador es un dispositivo que recibe, compara y envía señales para
ejecutar una operación determinada. El mismo puede ser programado para realizar
diversas tareas y es el encargado de coordinar la operación de los equipos asociados a
él.
Hoy en día existe una variedad innumerable de controladores para diferentes
tipos de aplicaciones. En el caso del aire acondicionado, tienen una gran versatilidad
y son muy útiles en cuanto a la automatización de sistemas. Sus aplicaciones pueden
ir desde las más pequeñas hasta las más complejas ya que pueden ser programados
para cualquier aplicación que se desee.
Los controladores pueden clasificarse en dos tipos diferentes: de protocolo
cerrado, los cuales se comunican entre la misma red y con dispositivos que manejen
15
su mismo lenguaje. Y los de protocolo abierto, los cuales son compatibles con otros
sistemas, dispositivos o redes sin necesidad de interfaces de comunicación. Los
mismos poseen entradas y salidas universales tanto digitales como analógicas, lo cual
amplía su campo de aplicación.
Es importante diferenciar las señales analógicas de las digitales. Una señal
analógica es aquella continua en el tiempo, es decir, que su curva no tiene saltos. Por
otro lado, las señales digitales se caracterizan por ser impulsos de corta duración y no
son constantes en el tiempo. La temperatura y la presión son ejemplos de señales
analógicas ya que sus curvas no tienen saltos, aunque la temperatura varíe en un
período de tiempo, siempre va a haber temperatura (sea cual sea su valor), lo mismo
que la presión, mientras que la luz proveniente de un bombillo se traduce como una
señal digital ya que cuando éste se apaga ocurre un salto o interrupción de la señal
que es recibida por el sensor, el cual indica solamente si está encendido o apagado.
Los sensores de ocupación reciben también señales digitales ya que sólo determinan
si hay o no alguna persona en un espacio determinado.
Sin embargo, los controladores funcionan a través de una lógica digital (1 y
0), lo cual implica que aun cuando las señales sean analógicas son convertidas por
medio de un transductor en señales digitales.
I.2.4.- SENSORES :
Los sensores son los dispositivos mediante los cuales se pueden medir o
percibir los parámetros o variables deseados. Los mismos pueden ser utilizados para
sensar temperatura, presión, humedad, etc., y son los que permiten obtener una señal
de entrada de la variable a controlar.
En las aplicaciones de los sistemas de agua helada se dispone de sensores de
temperatura ambiente para gobernar la operación de los actuadores de las compuertas
directoras, así como de sensores de temperatura insertados en tuberías o de
termocupla, para comandar la válvula reguladora de flujo.
16
Existen otros métodos para controlar la temperatura como en el caso de las
unidades de manejo de aire monozonas en donde el flujo de aire se controla de
manera diferente. Para ello se emplean cajas de volumen variable en diferentes
tramos de la ductería. Estas cajas constan de una compuerta y un actuador que la abre
o la cierra. Un sensor de temperatura ambiente registra el valor de la temperatura y
envía una señal al actuador para que regule la apertura de la compuerta. A su vez, un
sensor de diferencial de presión ubicado en la caja de volumen variable, registra la
diferencia de presión entre la entrada y la salida de dicha caja, cuando el valor
sobrepasa el patrón de referencia, envía una señal a un variador de frecuencia ubicado
en el motor del ventilador; dicho variador, tiene la función de aumentar o disminuir
las revoluciones del motor según sea la diferencia de presión registrada en la caja de
volumen variable. Cuando se encuentra parcial o totalmente cerrada la compuerta de
la caja, se produce un aumento de presión en el ducto, esto obliga al variador de
frecuencia a disminuir las revoluciones del motor para reducir el flujo de aire en el
ducto y así no generar un aumento excesivo de la presión. Cuando se abre la
compuerta de nuevo, el variador aumenta nuevamente las revoluciones del motor.
Este sistema es muy útil en ambientes donde se tienen zonas independientes o
cerradas con un ducto de suministro de aire para cada una.
17
INTRODUCCIÓN
En este capítulo se describirá el procedimiento utilizado para la elaboración
del proyecto detallando cada una de las actividades y los pasos realizados. El
contenido está dividido en tres etapas: levantamiento de la información, investigación
y selección, cada una dividida a su vez en diferentes partes con el fin de explicar de
una forma clara cada parte del proyecto.
18
II.1.- LEVANTAMIENTO DE LA INFORMACIÓN:
Para poder darle inicio al proyecto fue necesario hacer un levantamiento
completo y detallado de toda la información pertinente sobre el tema a tratar. Dicho
levantamiento se inició con el recorrido y reconocimiento de todos los espacios
físicos, los equipos y el sistema en general involucrado en el alcance del trabajo.
A continuación se describen las actividades de levantamiento de información:
II.1.1.- EVALUACIÓN DE LOS EQUIPOS:
Como actividad inicial del proyecto se procedió a realizar una inspección
general de todos los equipos que conforman el sistema de agua helada: enfriadores de
agua (chillers), unidades manejadoras de aire, torres de enfriamiento y bombas de
agua helada y del agua de condensación.
Esta evaluación comprendió: la inspección visual de los equipos y la medición
de los parámetros de operación. La misma se hizo en forma detallada con cada
equipo, para lo cual se diseñó una hoja de evaluación en la que aparecen los datos
técnicos y de placa, fotografías y un espacio para comentarios y sugerencias acerca
del mantenimiento requerido para poner a punto las unidades del sistema.
A continuación se presenta un estado general de cada equipo que conforma el
sistema de agua helada:
II.1.1.1.- ENFRIADORES DE AGUA (CHILLERS):
El sistema actual consta de cuatro enfriadores de agua marca Trane de los
cuales dos se encuentran fuera de servicio ya que han cumplido su período de vida
útil y su tecnología es obsoleta. Los otros dos chillers, modelos Centravac, se
encuentran funcionando a 75% de su capacidad, la mínima indispensable para cubrir
la carga total del edificio. En línea general y dado que datan de menor tiempo que los
19
anteriores, los mismos operan dentro de un rango de eficiencia aceptable y su estado
general es satisfactorio. Estos enfriadores de agua operan con refrigerante número 11
pero tienen la capacidad para su reconversión al R-123.
II.1.1.2.- UNIDADES MANEJADORAS DE AIRE (UMAS):
Las unidades manejadoras de aire datan de los años 70 y han cumplido el
período de vida útil dado por el fabricante, sin embargo, actualmente siguen
supliendo el aire a los diferentes ambientes para los cuales fueron diseñadas. Dentro
de las características más relevantes de estos equipos se encuentra la falta de un
sistema que controle de manera automática la temperatura y el flujo de aire en los
ambientes acondicionados, lo cual crea un problema de incomodidad para los
usuarios. Las mismas contaban con unos actuadores de tipo neumático que se
encargaban de abrir o cerrar las compuertas de aire a la salida de la UMA según fuera
la temperatura en el ambiente acondicionado, pero este sistema se encuentra fuera de
servicio. Otra característica importante es la ausencia de instrumentos de medición de
los parámetros fundamentales de operación de estos equipos (presión, temperatura),
lo cual dificulta al operador llevar un seguimiento correcto del funcionamiento de las
unidades.
II.1.1.3.- TORRES DE ENFRIAMIENTO:
Las torres de enfriamiento se encuentran ubicadas en el patio norte del
edificio. Actualmente una de ellas, modelo Marley de tiro inducido se encuentra fuera
de servicio. La otra torre, modelo Baltimore, se encuentra en funcionamiento
permanente y cubre la demanda de agua de condensación utilizada por los chillers.
Existen unas unidades suavizadoras de agua que no están funcionando y que sirven
para mejorar la calidad del agua que se hace pasar por las torres, previniendo los
problemas de incrustaciones, erosión y corrosión producidos por la misma.
20
II.1.1.4.- BOMBAS:
Las bombas se clasifican en dos tipos, las bombas de agua helada y las
bombas que asisten a la circulación del agua de condensación. Las mismas son de
capacidades similares y su estado general es satisfactorio. Las bombas del agua de
condensación conforman un total de seis, de las cuales operan solamente dos (una
bomba por chiller), y las bombas de agua helada son cuatro instaladas, que al igual
que las anteriores, dos cubren la demanda de agua de los chillers.
Toda la información técnica y de detalle de los equipos antes mencionados se
encuentra en las hojas de datos técnicos anexas a este informe en el Apéndice II.
II.1.2.- LEVANTAMIENTO DE LA DUCTERÍA :
Esta actividad consistió en el seguimiento de la ductería del sistema de aire
acondicionado con el fin de actualizar los planos de la misma y facilitar los cálculos
de los parámetros necesarios en el diseño del sistema de control.
El levantamiento de la ductería se realizó confirmando piso por piso que
todos los ramales de los ductos que suministran los diferentes espacios
acondicionados coincidieran con los planos originales. Esto permite obtener
mediciones más precisas y reales de caudal, presión estática y velocidad en cada
ducto, así como las dimensiones físicas de los mismos, lo cual es de gran relevancia
para la selección de los equipos de control.
II.1.3.- LEVANTAMIENTO DE LAS TUBERÍAS DE AGUA HELADA :
Por otro lado, el levantamiento de las tuberías de agua helada se realizó de
manera similar, siguiéndolas desde la salida de los enfriadores hasta cada una de las
manejadoras de aire, así como también los ramales que conforman el sistema de
condensación y las torres de enfriamiento. Con el ruteo de las tuberías se pueden
calcular las presiones y los caudales a lo largo de las mismas; dichos valores son
21
importantes para la selección de los dispositivos que controlan la parte hidráulica del
sistema de aire acondicionado.
II.2.- INVESTIGACIÓN
II.2.1.- INVESTIGACIÓN, RECOPILACIÓN Y ESTUDIO DE INFORMACIÓN:
Este paso fue uno de los más importantes ya que consistió en la búsqueda de
toda la información necesaria referente al tema de los dispositivos y sistemas de
control. Para la documentación adecuada, se investigó en las fuentes más
especializadas en el área, es decir, las marcas de fabricantes, distribuidores y
especialistas en sistemas de control de aire acondicionado, los cuales brindaron su
apoyo bibliográfico a través de catálogos, libros y programas de computadora, de
donde se pudo obtener información muy valiosa. Por otro lado, también se consiguió
información por medios como las páginas de Internet referidas al tema.
Adicionalmente, se pudo complementar la información con la asistencia a cursos
dictados por diferentes empresas, en donde se pudo apreciar de una manera más
didáctica el funcionamiento y la lógica de los controladores de aire acondicionado.
Como otra actividad integrada a la investigación, se programaron entrevistas con
agentes autorizados y representantes nacionales de las más reconocidas marcas
especializadas en el campo del control y la automatización. En paralelo, se fue
estudiando detenidamente cada uno de los diferentes aspectos obtenidos con el fin de
comprender y poder manejar de manera adecuada los términos y la logística
referentes al funcionamiento, la selección y el diseño de estos equipos.
II.2.2.- VISITAS Y ENTREVISTAS:
Esta actividad complementa la parte de la investigación realizada ya que
permitió obtener un contacto más directo con los especialistas de la materia e incluso
22
observar en vivo el funcionamiento de los equipos de control. Estas visitas se
realizaron directamente en las sedes de los agentes de las más reconocidas marcas a
nivel mundial establecidas en el país, los cuales brindaron su apoyo y material en
beneficio de la documentación propia sobre la materia.
II.3.- SELECCIÓN
Cálculos y mediciones: durante esta actividad se realizaron diferentes tipos de
mediciones de diversos parámetros tanto ambientales como de operación de los
equipos; se midieron mediante la instrumentación respectiva, las variaciones de
temperatura y humedad en cada una de las cinco zonas de los pisos tipo del edificio.
Así mismo se calcularon los caudales, velocidades y presiones estáticas en los ductos
de suministro de aire. Por otro lado, en cuanto a la parte hidráulica, se realizaron
mediciones y cálculos de las presiones de trabajo, presión máxima en las tuberías y la
distribución de caudales en los diferentes ramales de las mismas. Estos cálculos son
de gran importancia para la correcta selección de los dispositivos de control.
23
GENERAL
Esta especificación cubre en detalle la descripción del sistema de monitoreo y
control propuesto para la automatización de las unidades manejadoras de aire del
Nuevo Edificio Administrativo (NEA) de CANTV.
III.1.- ANTECEDENTES:
Actualmente existen en el NEA, unas unidades de manejo de aire marca
Trane, las cuales son máquinas multizonas (unidades con capacidad para distribuir el
aire con ducterías independientes para cada zona), modelos MZ-14 y MZ-17 de 25 y
28 toneladas respectivamente. Las mismas datan de los años 70 y por consiguiente
han agotado el período de vida útil establecido por el fabricante. Sin embargo, su
rendimiento actual es aceptable, con la salvedad de que es imposible hacer una
distribución y balanceo correcto del aire que éstas suministran ya que carecen del
sistema que controla la salida de aire de suministro a los ductos de cada zona. Esto
trae como consecuencia que el flujo de aire varíe de zona en zona, encontrándose un
exceso del mismo en las áreas más cercanas a la UMA y una deficiencia en las áreas
que se encuentran más alejadas. Las unidades mencionadas constan de cinco ramales
de distribución de la ductería, uno para cada zona de la planta tipo la cual se divide
en: zona norte, zona sur, zona este, zona oeste y la zona interna .
Estas unidades posen un sistema de actuadores neumáticos marca Honeywell
que regula el flujo de aire a la salida de la UMA de manera independiente para cada
ramal, respondiendo a un sensor de temperatura ubicado en cada zona. Este sistema,
se encuentra actualmente desacoplado en su totalidad de los equipos. Por otro lado, la
válvula reguladora de flujo ubicada en el retorno de agua helada de las unidades
posee también un actuador neumático que acciona la válvula según la temperatura del
aire en la salida del serpentín. Este sistema, al igual que los otros, también se
encuentra fuera de servicio.
24
Estas constantes variaciones en la temperatura del aire afectan directamente a
los usuarios del edificio, los cuales han presentado su inconformidad en cuanto al
sistema de aire acondicionado. Por otro lado y como consecuencia del estado de los
equipos, registramos un alto contenido de humedad relativa en los ambientes
acondicionados, la cual sobrepasa los límites de diseño para el confort de oficina y es
la causante tanto de molestias como de enfermedades a las personas que ocupan y
laboran en el edificio. Este problema es general en todos los pisos de la edificación.
Es por esto que la falta de un adecuado control en la operación de los sistemas
de aire acondicionado que dan servicio a los diferentes ambientes del edificio NEA
ha llevado a la necesidad de desarrollar esta propuesta que tiene como intención
principal mejorar el desempeño de cada uno de los sistemas antes mencionados
mediante la incorporación de un conjunto de actividades que permitan incrementar
sus niveles de eficiencia y a su vez disminuir el consumo de energía eléctrica
asociado a cada uno de ellos.
En este documento se describen detalladamente los sistemas propuestos para
lograr un acondicionamiento correcto del aire en los diferentes ambientes del edificio.
25
III.2.- NORMAS Y CÓDIGOS APLICABLES :
Los equipos y sistemas serán evaluados y especificados conforme a los
siguientes códigos:
ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning
Engineers.
ARI Air Conditionig and Refrigeration Institute.
SMACNA Sheet Metal and Air Conditionig Contractors National Association.
CEN Código Eléctrico Nacional (Venezuela).
NFPA National Fire Protetion Assotiation.
DIN Deutsche Industrie Normen.
NORVEN Normas Venezolanas.
MINDUR Ministerio del Desarrollo Urbano.
CANTV Especificaciones para la instalación de aire acondicionado y
ventilación forzada.
Instrucciones de los inspectores de CANTV.
26
III.3.- DATOS DE DISEÑO :
III.3.1. - CONDICIONES AMBIENTALES:
III.3.1.1.- PROMEDIO DE TEMPERATURA Y HUMEDAD EN LAS ZONAS
ACONDICIONADAS:
Norte: 21,5°C (70,7°F) +/- 2°F / 62% H.R. +/- 5%
Sur : 21,3°C (70,3°F) +/- 2°F / 63% H.R. +/- 5%
Este: 21,4°C (70,5°F) +/- 2°F / 61% H.R. +/- 5%
Oeste: 21,3°C (70,3°F) +/- 2°F / 64% H.R. +/- 5%
Centro: 21,1°C (70,0°F) +/- 2°F / 63% H.R. +/- 5%
III.3.1.2.- CAUDALES Y VELOCIDADES DEL AIRE A LA SALIDA DE LA UMA PARA CADA
ZONA:
Norte: 1.391,5 m3/h / 2.2 m/s (819cfm / 423fpm)
Sur : 1.391,5 m3/h / 2.2 m/s (819cfm / 423fpm)
Este: 2.162,8 m3/h / 4.7 m/s (1273cfm / 917fpm)
Oeste: 1.821,3 m3/h / 6 m/s (1072cfm / 1187fpm)
Centro: 8.082,2 m3/h / 11.6 m/s (4757cfm / 2283fpm)
III.3.1.3.- PRESIONES ESTÁTICAS EN LOS DUCTOS :
Norte: 0,41 inH20
Sur : 0,41 inH20
Este: 0,38 inH20
Oeste: 0,35 inH20
Centro: 0,18 inH20
27
III.3.2.- CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL SISTEMA:
III.3.2.1.- TUBERÍAS DE AGUA HELA DA:
Las tuberías de agua helada de este sistema son de acero galvanizado de
diámetro variable entre 3” y 8”, las cuales conforman un sistema cerrado de
recirculación de agua con retorno invertido. Las mismas se encuentran forradas con
aislante de anime de 1,5” con recubrimiento de protecapa.
III.3.2.2.- DIÁMETRO DE LAS TUBERÍAS POR PISO:
Pisos 1 al 8: φ 8”
Pisos 9 al 13: φ 6”
Pisos 14 al 18: φ 5”
Pisos 18 al 20: φ 4”
Pisos 20 al 22: φ 3”
La tubería de retorno es similar pero los diámetros varían en orden inverso
que en el suministro.
Diámetro de las tuberías de suministro y retorno a cada UMA: φ 21/2”
Presión máxima de trabajo en el sistema: 14 Kg/cm2 (200) psi
Presión de la columna de agua: 10.2 Kg/cm2 (145 psi)
Caudal real de agua en el sistema: 3.568 Lts/min (942.6 GPM)
Caudal real de agua de la UMA: 162 Lts/min (42.8 GPM)
Caudal máximo de agua en el sistema: 4.997 Lts/min (1320 GPM)
Caudal máximo de agua de la UMA: 227 Lts/min (60 GPM)
Volumen máximo de agua en el montante: 2.950 Lts. (780gal)
28
III.4.- DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS PROPUESTOS:
GENERAL:
El sistema de control para las unidades manejadoras de aire propuesto en este
trabajo, consta de los elementos que se mencionan a continuación.
Cada unidad de manejo de aire poseerá un controlador electrónico que
comandará las operaciones de los actuadores, registrando y procesando la
información proveniente de los sensores de temperatura, con base en parámetros
preestablecidos.
Cada controlador será conectado a la red local y transmitirá la información
registrada a un módulo de comunicaciones, el cual se encargará de retransmitir esta
señal a las estaciones de trabajo donde se encuentran las computadoras para el
monitoreo del sistema.
Se instalarán en las unidades de manejo de aire cinco (5) actuadores eléctricos
que controlarán la apertura de las compuertas de aire (dampers) basándose en la
temperatura de las diferentes zonas.
Las temperaturas de cada zona serán registradas por cinco (5) sensores de
temperatura ambiente, los cuales deben instalarse en la pared a una altura de 1,5 m
sobre el piso y en puntos estratégicos donde no sea afectada la lectura correcta de la
temperatura.
Se incorporará una válvula reguladora de flujo de tres (3) vías y 2 ½” de
diámetro para el control del caudal de agua helada que retorna de la máquina. El
movimiento modulante de dicha válvula será controlado por un actuador eléctrico que
abrirá o cerrará la válvula en proporción con la temperatura de retorno registrada por
un sensor insertado en tubería.
29
III.5.- DESCRIPCIÓN DE LAS OBRAS A REALIZAR:
GENERAL:
Los trabajos a realizarse serán, sin limitarse a ellos, los siguientes:
1.- Desmantelamiento del sistema de control neumático de las unidades de
manejo de aire, lo cual incluye: actuadores (sin estructura), válvula, tablero y
cableado.
2.- Desmantelamiento del control eléctrico que prestaba servicio al control
neumático de las unidades de manejo de aire, incluye tableros y cableado.
3.- Desmantelamiento y acarreo de tramos de tuberías de suministro y retorno
de agua helada de las unidades manejadoras de aire. Los tramos a desmantelar serán
los especificados por el inspector de CANTV. Incluye todos los accesorios que
pertenezcan a los tramos mencionados.
4.- Suministro e instalación de tubería de acero ASTM-53, grado A, diámetro
2 ½” para suministro y retorno de agua helada de las unidades de manejo de aire.
Incluye accesorios especificados en este trabajo.
5.- Suministro e instalación de aislante de anime, espesor 1 ½” para tuberías
de agua helada.
6.- Suministro e instalación de camisa de aluminio para recubrimiento de
aislante de anime de las tuberías de agua helada.
30
7.- Suministro e instalación de manómetros y termómetros en tuberías de
suministro y retorno de agua helada de las unidades de manejo de aire.
8.- Suministro e instalación de filtro Cedazo tipo “Y”, con válvula de descarga
para servicio de 1 ½” para instalar en tubería de suministro de agua helada de las
unidades de manejo de aire.
9.- Suministro e instalación de dos (2) válvulas de compuerta de 2 ½” para
tuberías de suministro y retorno (una válvula para cada tubería) de las unidades de
manejo de aire.
10.- Suministro e instalación de dos (2) válvulas de globo de 2 ½” para
tuberías de suministro y retorno (una válvula para cada tubería) de las unidades de
manejo de aire.
11.- Suministro e instalación de válvula de globo de tres (3) vías, 2 ½” para
regulación de flujo en tubería de retorno de agua de las unidades de manejo de aire.
12.- Suministro e instalación de un (1) actuador eléctrico para el control
automático de la válvula de regulación de flujo en la tubería de retorno de agua de
las unidades de manejo de aire.
13.- Desinstalación del aislante térmico de la ductería comprendida dentro del
cuarto de aire acondicionado de cada unidad de manejo de aire.
14.- Suministro e instalación de aislante térmico de fibra de vidrio 1” para
ductería comprendida dentro del cuarto de aire acondicionado de cada unidad de
manejo de aire.
31
15.- Suministro de láminas de acero galvanizado para reparación de la
ductería comprendida dentro del cuarto de aire acondicionado de cada UMA en las
partes especificadas por el inspector de CANTV.
16.- Desmantelamiento de las compuertas de aire (dampers) de las unidades
de manejo de aire.
17.- Construcción e instalación de las compuertas de aire (dampers) de la
UMAS para el control de zonas, según las especificaciones tomadas en el sitio.
18.- Suministro e instalación de cinco (5) actuadores eléctricos para las
compuertas de aire (dampers) de las unidades de manejo de aire.
19.- Limpieza, lijado y pintado de la carcaza de las unidades manejadoras de
aire. Incluye pintura anticorrosiva y acabado final.
20.- Remoción del aislante térmico de las UMAS.
21.- Suministro e instalación del aislante térmico interno de las unidades de
manejo de aire a base de Neopreno.
22.- Construcción de bandeja de drenaje en acero galvanizado calibre 18 para
las unidades de manejo de aire.
23.- Suministro e instalación de tubería de acero galvanizado, diámetro ¾”
para drenaje de las UMAS. Incluye codos u otros accesorios determinados en el sitio.
24.- Se efectuarán otros tipos de obras como demolición y reconstrucción de
paredes según las instrucciones y especificaciones del Inspector de CANTV. Incluye
frisado, pintura y acabado final.
32
III.6.- SELECCIÓN DE EQUIPOS:
Los equipos y la instrumentación seleccionados en este proyecto para instalar
a cada una de las unidades de manejo de aire, sin limitarse a ellos, son los siguientes:
Controlador de entradas y salidas universales:
Marca: Infinity
Modelo: TCX-851
Memoria: 128K EPROM, 32K RAM, 128 EEPROM.
Alimentación: 24 VAC, 50/60Hz.
Consumo: 20 VA.
Ambiente de operación: 32 a 120F, 10 a 95 % H.R.
Batería de respaldo: Lithium Battery, 10 años.
Protección: Fusible 2AMP.
Dimensiones: 9” H x 5 ¾” W x 2 ¾” D
Peso: 3,5 Lbs.
Entradas: 4 universales, 0-5,115 VDC, 10K ohm a 5,115 V, 0,5 mV
Salidas: 3 (SPDT) Relé Forma A, 1 Relé Forma K Tri-estatal, 5 A, 24 VCA.
Catalogación: UL/CUL916,1076,864-UUKL,FCC,CE.
Canidad: uno (1)
Módulo de expansión:
Marca: Infinity
Modelo: EMX-150
Salidas: 2 salidas analógicas.
Rango: 0-20 mA o 0-20 VDC por salida.
Impedancia: 0-20 mA , max 750 ohms, 0-20 VDC, min 4.000 ohms.
Resolución: 0.1 mA o 1 VDC.
33
Consumo: 55 mA.
Dimensiones: 6.13” W x 4.88” H x 1.52” D.
Cantidad: tres (3)
Sensor de temperatura ambiente:
Marca: Andover Controls
Montaje: en pared a 1,5 m sobre el piso.
Elemento sensor: Type III, 10000 ohms @ 77°F
Rango: 40° a 100°F
Dimensiones: 4 ½” H x 2 7/8” W x 1 1/8” D.
Cantidad: cinco (5).
Sensor insertado en tubería:
Marca : Andover Controls
Rango: -14 a 266 °F (-26 a 130 °C).
Longitud max: 2”
Rosca: 3/4” .
Montaje: roscado.
Material: acero inoxidable tipo 316.
Actuador para compuertas de aire (dampers) :
Marca: Belimo.
Modelo: AM24-SR US.
Torque: 160 lb- in.
Alimentación: 24 VAC/DC.
Tiempo de la carrera: 150 sec. Continuos.
34
Transformador: 5 VA.
Angulo de rotación: 95°
Dimensiones: 8.75” x 3.0” x 3.72”
Conexión eléctrica: 3 ft, cable 18 AWG blindado (belden), tubería ½”.
Carcaza: NEMA 2 / IP54.
Señal de control: 2 a 10 VDC, 4 a 20 mA ( con resistencia de 500 ohms).
Retroalimentación ( Feedback): 2 a 10 VDC.
Cantidad: cinco (5).
Actuador para válvula de agua helada:
Marca: Belimo.
Modelo: GM24-SR(x2) US.
Torque: 266 lb- in.
Alimentación: 24 VAC/DC.
Tiempo de la carrera: 135 sec. Independiente de la carga.
Transformador: 7 VA.
Angulo de rotación: 95°
Dimensiones: 9,49” x 4,88” x 3,15”
Conexión eléctrica: 3 ft, cable 18 AWG blindado (belden), tubería ½”.
Carcaza: NEMA 2 / IP54.
Señal de control: 2 a 10 VDC, 4 a 20 mA ( con resistencia de 500 ohms).
Retroalimentación ( Feedback): 2 a 10 VDC.
Cantidad: uno (1).
35
Válvula para tubería de agua helada:
Marca: Belimo.
Modelo: G765
Diámetro: 2 ½”
Tipo: 3 vías
Conexión: roscada.
Cantidad: uno (1).
Válvula para corte de flujo:
Diámetro: 2 ½”
Tipo: compuerta.
Conexión: roscada
Cantidad: dos (2).
Válvula para regulación de flujo:
Diámetro: 2 ½”
Tipo: globo.
Conexión: roscada.
Cantidad: dos (2).
Manómetro de presión:
Marca: Trerice.
Rango: 0-200 psi.
Conexión: ¼” , roscado.
Accesorios: válvula Espita y rabo de cochino.
Cantidad: dos (2).
36
Termómetro mercurial:
Marca: Trerice.
Rango: -40 a 120 °F.
Conexión: ¾” , roscada.
Cantidad: dos (2).
Filtro Cedazo:
Tipo: “ Y “
Diámetro: para tubería de 2 ½”.
Accesorio: válvula para descarga de servicio.
Cantidad: (1).
37
INTRODUCCIÓN
En este capítulo se presentan las mediciones, los análisis y la memoria de
cálculos de todas las variables fundamentales para la selección de los equipos, la
instrumentación y el diseño del sistema, así como para la realización de la logística
del proyecto. Por otro lado, se plantea una reseña teórica de las fórmulas empleadas
en cada cálculo, describiendo las variables utilizadas.
38
RESEÑA TEÓRICA:
Para comprender mejor este capítulo, es necesario explicar los términos que se
han manejado, así como también los principios fundamentales de cálculo en las
diferentes áreas comprendidas en el proyecto.
IV.1.- SISTEMA DE MANEJO DE AIRE:
En los sistemas de manejo de aire se desea conocer el caudal de aire,
temperatura y humedad. Para poder determinar estas variables es necesario como
primer paso conocer las especificaciones técnicas de los equipos.
Para el cálculo del caudal de aire manejado por la máquina, se utiliza la
fórmula de continuidad de los fluidos Q = V x A, para lo cual es necesario conocer el
área de la cara del serpentín de enfriamiento y la velocidad del aire que pasa a través
del mismo. Una vez conocido el caudal de aire real que maneja la UMA se pueden
conocer las toneladas reales de refrigeración de la misma.
En el caso de las unidades manejadoras de aire del edificio NEA, existen dos
modelos diferentes: del piso 1 al 21, el modelo es MZ-14 y en el piso 22 modelo
MZ-17. Las siglas MZ significan “multizona” y el número que sigue especifica el
área de la cara del serpentín (en pies cuadrados). La velocidad del aire que pasa por el
serpentín va a depender de las revoluciones del motor del ventilador, del tamaño de
las poleas (relación de transmisión) y del tamaño del ventilador, cuyas características
se encuentran en las especificaciones técnicas de las unidades.
39
IV.1.1.- CAUDAL:
A continuación se presentan los cálculos del caudal y la capacidad real de los
equipos:
Datos:
Modelo de la UMA: MZ-14
Capacidad nominal: 25 tons, 75600 Kcal/h (300000 BTU/h)
Area de la cara del serpentín: 1,3 m2 (14 ft2)
Velocidad del aire: 3,175 m/s (625 ft/min)
Q = V x A
Q = 3,175 x 1,3 = 4,13 m3 /s Q = 14.868 m3/h (8.750 ft3/min)
Para determinar el valor de la capacidad de la UMA, una vez conocido el
caudal, se tiene que 1 ton es equivalente a 684 m3/h (400 ft3/min) por lo tanto:
Tons = 14868 / 684 = 21,7 ton tonsreal = 21,7 ton
Para determinar el equivalente de las toneladas de refrigeración en kilo
calorías se tiene que 1 tonelada de refrigeración equivale al número de calorías
necesarias para derretir 1 tonelada de hielo en 24 horas:
1 ton = 3.024 Kcal/h 21,7 ton = 65.620 Kcal/h (260.400 BTU/h)
40
IV.1.2.- DISTRIBUCIÓN DE AIRE:
Una vez establecidos el caudal y la capacidad real de la unidad manejadora de
aire, se determina la capacidad instalada en el ambiente acondicionado. Con la ayuda
de los planos de ductería del aire acondicionado (ver Anexo I), se verificó el número
de difusores y la capacidad de flujo de cada uno. Posteriormente sumando todos estos
valores se obtuvo la capacidad total instalada en la planta tipo del edificio.
Datos:
Tipo de difusor Cantidad Capacidad c/u Total
Termotanque 36 77,3 m3 /h 2782,8 m3 /h
Lámpara difusora 106 113,9 m3 /h 12073,4 m3 /h
Total instalado: 142 191,1 m3 /h 14856,4 m3 /h
Tabla IV.1 Capacidad total de los difusores de aire de la planta tipo.
Con los planos de la ductería antes mencionados se determinan también las
dimensiones de las bocas de salida de aire de las UMAS para cada una de las zonas
con el fin de obtener el área de las mismas. También se puede determinar el caudal
de aire que sale por cada zona, sumando la capacidad de los difusores instalados en el
ducto correspondiente a cada zona. En la planta tipo del edificio se tienen cinco zonas
de distribución de aire: norte, sur, este, oeste y la zona interna. Existe un ducto y un
número determinado de difusores para cada una de ellas. La suma de las capacidades
independientes de cada zona debe ser igual a la capacidad total instalada en todo el
piso.
41
Zona N° difusores Capacidad Total
Norte 18 77,3 m3/h 1391,4 m3/h
Sur 18 77,3 m3/h 1391,4 m3/h
Este 19 113,9 m3/h 2164,1 m3/h
Oeste 16 113,9 m3/h 1822,4 m3/h
Centro 71 113,9 m3/h 8086,9 m3/h
Total instalado 142 14856,2 m3/h Tabla IV.2.- Capacidad total de los difusores.
En la tabla se indican los valores del caudal total distribuido por zonas y se
verifica que la suma de cada uno de ellos es igual a la capacidad total instalada.
IV.1.3.- VELOCIDAD Y PRESIÓN:
Para obtener los valores de las velocidades y presiones en las bocas de salida
de las UMAS para cada zona se utilizó un anemómetro con el cual se efectuaron
diversas mediciones de donde se calculó un valor general de velocidad y presión.
Velocidades del aire a la salida de la UMA:
Norte: 2,1 m/s (423fpm)
Sur : 2,1 m/s (423fpm)
Este: 4,7 m/s (917fpm)
Oeste: 6 m/s (1.187fpm)
Centro: 11,6 m/s (2.283fpm)
42
Presiones estáticas en los ductos:
Norte: 0,41 inH20
Sur : 0,41 inH20
Este: 0,38 inH20
Oeste: 0,35 inH20
Centro: 0,18 inH20
Los valores de velocidad y presión fueron tomados como referencia mas no
son indispensables para el cálculo de los dispositivos de control.
IV.2.- SISTEMA DE AGUA HELADA:
Para calcular los parámetros requeridos en el sistema de agua helada, se hizo
un ruteo de las líneas de suministro y retorno a cada unidad de manejo de aire con el
fin de verificar la cantidad de equipos instalados en el sistema. Así mismo se calculó
la capacidad de manejo de agua de los enfriadores de agua (chillers) para conocer el
caudal máximo de agua que posee la instalación. Una vez establecido el ruteo de las
tuberías de distribución de agua se puede calcular el caudal de agua en cada ramal.
Con los diámetros de las tuberías y la longitud se pueden estimar las pérdidas en el
sistema para así calcular la presión. En este sentido, hay que aclarar que las tuberías
estudiadas datan de varios años de servicio, por lo tanto, valores como el coeficiente
de fricción y el diámetro nominal son difíciles de estimar. Sin embargo, los cálculos
se realizaron suponiendo una tubería nueva y tomando como referencia el material
original con que fueron fabricadas.
43
IV.2.1.- CAPACIDAD DEL SISTEMA:
Las áreas acondicionadas por el sistema de agua helada del NEA se dividen en
los siguientes ramales de distribución: la rama vertical principal que suministra el
edificio administrativo, la planta libre donde se encuentran las unidades que
acondicionan la mezzanina y presidencia, el ramal del sótano y el ramal que llega
hasta el comedor. Por otro lado, dadas ciertas necesidades, se han incorporado
algunos equipos adicionales (fancoils) para acondicionar diversos ambientes no
previstos en el proyecto original.
IV.2.1.1.- CAPACIDAD DE LOS ENFRIADORES DE AGUA (CHILLERS):
Para calcular la capacidad de manejo de agua de un enfriador se utiliza la
siguiente fórmula (tomada de “Desing of Closed System Piping Hot or Chilled
Water”, manual de aire acondicionado de Carrier):
GPM = BTUH / 60 x 8,33 x ∆∆ T
Donde:
GPM: galones por minuto que circulan a través del enfriador.
BTUH: capacidad de enfriamiento.
∆T: diferencia de temperatura del agua antes y después del enfriador.
Entonces:
Para los enfriadores estudiados se tienen los siguientes datos:
Capacidad: 320 tons. x 12.000 = 3.840.000 BTUH (967.664 Kcal/h)
∆T: 10 °F
44
Introduciendo los valores en la fórmula:
GPM = 768,3
Como se tienen dos enfriadores en total, la capacidad máxima del sistema será:
768,3 x 2 = 1536,6 GPM GPMmax =1536,6 (350 m3 /h)
IV.2.1.2.- DISTRIBUCIÓN DEL CAUDAL DE AGUA HELADA :
Una vez conocido el caudal máximo de agua se procede a calcular la
distribución del mismo para conocer el caudal de agua que circula por cada tubería.
Sumando las capacidades en GPM de cada una de las unidades de manejo de
aire de los ramales: planta libre, sótano y cafetín, se tiene que:
Capacidad total = 594 GPM (135 m3/h)
Si restamos este valor del caudal máximo del sistema, obtenemos el caudal
que circula por la tubería del edificio administrativo a cada una de las unidades de
manejo de aire en estudio:
Caudal edificio administrativo = 942,6 GPM (214 m3/h)
Este valor indica el caudal que se distribuye por la líneas de suministro a las
unidades de manejo de aire del edifico entre los pisos 1 y 22. Dividiendo ese caudal
entre el número de UMAS, se obtiene el caudal que maneja cada una.
942,6 / 22 = 42,8 GPM
Para cada unidad de manejo de aire se tienen: 42,8 GPM (9,7 m3/h)
Con este valor se determina la capacidad (Cv) de la válvula de regulación de
flujo, lo cual se describe más adelante.
45
IV.2.2.- PRESIONES :
El cálculo de las presiones de trabajo del sistema es fundamental para poder
seleccionar el actuador de la válvula reguladora de flujo ya que la presión máxima en
la línea determina la presión de cierre (close-off) que el actuador ofrece a la válvula.
El cálculo de las presiones se realizó en una hoja de cálculo programada con
las fórmulas y datos necesarios para calcular la presión máxima en la tubería. En
dicha hoja se calculan también las perdidas por fricción y por accesorios. La hoja
divide la tubería en todos los tramos que comprenden los 22 pisos del edificio, así
como también por cada variación en el diámetro de la tubería. Dicha hoja se puede
apreciar en el siguiente capítulo.
A continuación se citan las fórmulas utilizadas para el cálculo de la presión
máxima en la tubería:
- Ecuación de Bernoulli:
P1/γγ + V12/2g + Z1 – hf = P2/γ γ + V2
2/2g + Z2
Donde:
P 1 = Presión a la salida de la bomba.
P2 = Presión en el último tramo de la tubería.
V1 = Velocidad a la salida de la bomba.
V2 = Velocidad en el último tramo de la tubería.
- Ecuación de la continuidad:
Q = V x A
Donde:
Q = Caudal de agua.
V = Velocidad del agua.
A = Area de la tubería.
46
- Pérfidas de carga:
hf = f.L.V2/D.2g
Donde:
hf = Pérdidas por fricción.
f = Coeficiente de fricción de la tubería.
L = Longitud de la tubería
V = Velocidad del agua.
D = Diámetro de la tubería.
g = Gravedad.
- Pérdidas por accesorios:
hf = K.V2/2g
Donde:
hf = Pérdidas por accesorios.
K = Coeficiente de pérdida de cada accesorio.
V = Velocidad del agua.
g = Gravedad.
Como se muestra en la hoja de cálculo antes mencionada (ver siguiente
capítulo), se tiene que la presión máxima en la línea de suministro ocurre justo a la
salida de la bomba y su valor es:
Pmax = 200 psi
47
IV.3 PARÁMETROS DE CONTROL:
Lo que se denomina como parámetros de control es, en otras palabras, el
número de variables que tienen que manejarse para poder seleccionar los equipos de
control y a su vez establecer la lógica de control necesaria para que el sistema opere y
ejecute las acciones deseadas.
En este sentido, las variables de control se dividen en dos tipos: ambientales y
mecánicas.
IV.3.1.- VARIABLES DEL AMBIENTE ACONDICIONADO:
Las variables ambientales están constituidas por los siguientes parámetros:
- Temperatura deseada en el ambiente: es la temperatura con la que se establece el
rango de comparación programado en el controlador, el cual tiene la función de
mantener. Para el edificio administrativo, los ambientes acondicionados son
oficinas, por lo tanto, la temperatura de confort está establecida entre 21° y 22ºC
(70°y 72 º F).
- Número de zonas: es el total de zonas acondicionadas que se tienen por cada piso
del edificio. Las mismas sirven para determinar el número de sensores. Para el
edificio administrativo se tienen cinco zona por piso, es decir, se requieren cinco
sensores de temperatura ambiente.
IV.3.2.- VARIABLES MECÁNICAS:
Las variables mecánicas las constituyen todos los parámetros que influyen
directamente en la selección de la instrumentación de las unidades de manejo de aire.
- Temperatura del agua de retorno de la UMA: esta temperatura indica en rango
según el cual se rige el controlador para actuar sobre la apertura o el cierre de la
48
válvula reguladora de flujo. La temperatura de retorno de agua está establecida en
46°F (8°C). Cuando hay una variación de dicho valor, un sensor insertado en la
tubería de retorno envía una señal al controlador para que compare y comande al
actuador de la válvula.
- Presión y caudal en la tubería de retorno de la UMA: estos dos parámetros son
fundamentales para la selección de la válvula y el actuador correspondiente.
Para las unidades en estudio se tiene que el caudal máximo que circula por la
tubería es de 60 GPM (13,6 m3/h) y la presión máxima es de 200 psi. (14 Kg/cm2).
- Caudal de aire y área de la salida de la UMA: estos dos valores se utilizan para la
selección de los actuadores de las compuertas de aire. Para las unidades estudiadas se
tienen cinco salidas de aire independientes para cada zona. El área y caudal tomado
como referencia para la selección de los actuadores fueron los de la salida de mayor
capacidad perteneciente a la zona interna. Sin embargo, los actuadores se
seleccionaron todos de igual tamaño. El caudal máximo de aire en la salida antes
mencionada es de 4.757 cfm (8.082 m3/h) y el área es de 360 pulg2 (0,2323 m2).
Una vez establecidas las variables del sistema se procede con la selección de
los equipos.
49
IV.4.- SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE CONTROL:
Para la selección de los equipos y dispositivos de control no sólo se tomaron
en cuenta las variables establecidas anteriormente, sino también variables de índole
económica, de mercado y otros factores que influyeron en dicha selección.
IV.4.1.- SELECCIÓN DEL CONTROLADOR:
Para la selección del controlador se necesitan conocer el número y el tipo de
señales de entrada y salida. Para ello se presenta una tabla donde se describen dichas
variables:
Variable Tipo de señal Nomenclatura N°
Temperatura ambiente. Entrada analógica. A/I 5
Temperatura del agua de retorno. Entrada analógica. A/I 1 Actuador de las compuertas de aire. Salida analógica. A/O 5
Arranque y parada del Motor. Entrada digital. D/I 1 Salida digital D/O 1 Presión diferencial en el filtro de aire. Entrada digital. D/I 1
Tabla IV.3.- Variables de entrada y salida de los controladores.
50
Tomando los datos de la tabla IV.3, se tiene que los controladores deben tener
capacidad para manejar las siguientes variables:
- Numero de entradas analógicas = 6
- Número de salidas analógicas = 6
- Número de entradas digitales = 2
- Número de salidas digitales = 1
CANTV cuenta con un almacén donde se encuentra un número determinado
de controladores marca Infinity, modelo TCX-851, cuyas características se
especifican en la memoria descriptiva, capítulo III. Dichos controladores no poseen
por sí solos la capacidad para el número de entradas y salidas requeridas, sin
embargo, tienen la posibilidad de adaptar unos módulos de expansión Infinity
EMX-150 de salidas analógicas para el control de las compuertas de aire y la válvula
reguladora de flujo.
La selección de estos controladores se hizo con el objeto de aprovechar los
equipos del almacén para así disminuir el costo del proyecto.
IV.4.2.- SELECCIÓN DE LA VÁLVULA:
Para la selección de la válvula se requiere el diámetro de la tubería y el caudal
de agua en circulación.
En el caso estudiado, se requiere una válvula para instalar en una tubería de
2 ½” de diámetro. La válvula debe ser de tres vías para poder realizar la desviación
del flujo (by-pass).
Según esto se tiene que:
φ tubería = 2 ½”
Caudal de agua = 60 GPM (13.6 m3/h)
51
El siguiente paso es calcular el Cv o capacidad de flujo de la válvula.
Cv = GPM / √√ ∆∆ P/g
Donde:
Cv. capacidad de flujo de agua de la válvula.
GPM: galones por minuto de agua en circulación por la tubería.
∆P: caída de presión.
g: densidad del fluido.
En este caso:
GPM = 60
∆P = 1 psi
g = 1
Introduciendo los datos en la fórmula:
Cv = 60 GPM
Con este dato se busca en la tabla de selección la válvula que cumpla con un
Cv ≥ 60 y que tenga un diámetro de 2 ½”.
Las características de la válvula seleccionada se describen en las
especificaciones técnicas de los equipos de la memoria descriptiva, capítulo III. Las
tablas de selección se pueden apreciar en el Apéndice II.
52
IV.4.3.- SELECCIÓN DEL ACTUADOR DE LA VÁLVULA REGULADORA DE FLUJO:
El actuador de la válvula se selecciona según sea el torque requerido para que
la válvula cierre contra la presión de la tubería. Por otro lado, para las válvulas de
control electrónico, los catálogos recomiendan una lista de actuadores compatibles
con el tipo de válvula seleccionada. De esa lista se selecciona el que cumpla con las
características requeridas.
Para la válvula seleccionada en este proyecto se tiene que la presión máxima
que tiene que vencer la válvula es de 200 psi.
Buscando en las tablas de selección de actuadores (ver Apéndice II) se tiene
que el mismo debe proporcionar un torque entre 266 y 300 lb- in para que la válvula
cierre con seguridad ya que para ese torque la presión de cierre que soporta la
válvula (close-off) es de 250 psi.
El actuador seleccionado se describe en el capítulo III.
IV.4.4.- SELECCIÓN DE LOS ACTUADORES PARA LAS COMPUERTAS DE AIRE:
Para la selección de los actuadores de las compuertas de aire se requiere
conocer el caudal de aire de suministro a la salida de la unidad de manejo de aire y el
área de la superficie de las compuertas de aire.
Con estos datos se busca en la tabla de selección el actuador que corresponda
a dichas especificaciones y que se encuentre dentro del rango de seguridad.
Datos:
Area de las compuertas de aire: 726 pulg2 (0.47m2).
Flujo total de aire: 8740 cfm (14850 m3/h).
El actuador que cumple con estas características proporciona un torque de
160 lb- in. y sus especificaciones se describen en el capítulo III.
53
IV.4.5.- OTROS DISPOSITIVOS :
El resto de la instrumentación involucrada en el proyecto lo constituyen las
válvulas convencionales de globo y de compuerta, termómetros, manómetros,
sensores de temperatura ambiente y sensor insertado en tubería, cuya selección se
hizo con base en parámetros tales como: dimensión de las tuberías, rangos de
temperatura y rangos de presión.
Para observar de forma más clara las especificaciones de todos los equipos
mencionados en este capítulo es conveniente revisar las especificaciones técnicas de
la memoria descriptiva (capítulo III) y el Apéndice II donde se muestran las tablas de
selección y los documentos con información de los equipos.
54
V.1.- PARÁMETROS AMBIENTALES:
V.1.1.- PROMEDIO DE TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA EN LAS ZONAS
ACONDICIONADAS:
Norte: 21,5°C (70,7°F) +/- 2°F / 62% H.R. +/- 5%
Sur : 21,3°C (70,3°F) +/- 2°F / 63% H.R. +/- 5%
Este: 21,4°C (70,5°F) +/- 2°F / 61% H.R. +/- 5%
Oeste: 21,3°C (70,3°F) +/- 2°F / 64% H.R. +/- 5%
Centro: 21,1°C (70,0°F) +/- 2°F / 63% H.R. +/- 5%
V.1.2.- CAUDALES Y VELOCIDADES DEL AIRE A LA SALIDA DE LA UMA PARA CADA
ZONA:
Norte: 1.391,5 m3/h / 2,2 m/s (819cfm / 423fpm)
Sur : 1.391,5 m3/h / 2,2 m/s (819cfm / 423fpm)
Este: 2.162,8 m3/h / 4,7 m/s (1.273cfm / 917fpm)
Oeste: 1.821,3 m3/h / 6 m/s (1.072cfm / 1.187fpm)
Centro: 8.082,2 m3/h / 11,6 m/s (4.757cfm / 2.283fpm)
V.1.3.- PRESIONES ESTÁTICAS EN LOS DUCTOS :
Norte: 0,41 inH20
Sur : 0,41 inH20
Este: 0,38 inH20
Oeste: 0,35 inH20
Centro: 0,18 inH20
55
V.2.- CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL SISTEMA:
V.2.1.- TUBERÍAS DE AGUA HELA DA:
Diámetro 8”: pisos 1 al 8
Diámetro 6”: pisos 9 al 13
Diámetro 5”: pisos 14 al 18
Diámetro 4”: pisos 18 al 20
Diámetro 3”: pisos 20 al 22
Caudal total del sistema de agua helada: 348 m3/h. (1.536,6 GPM)
Tonelaje total instalado en el sistema de agua helada: 813,5 toneladas.
Carga térmica total del edificio: 680 toneladas
Diámetro de las tuberías de suministro y retorno a cada UMA: φ 21/2”
Presión máxima de trabajo en el sistema: 14 Kg/cm2 (200) psi
Presión de la columna de agua: 10.2 Kg/cm2 (145 psi)
Caudal real de agua para el ramal del edificio administrativo: 3.568 Lts/min
(942,6 GPM)
Caudal real de agua de la UMA: 162 Lts/min (42,8 GPM)
Caudal máximo de agua en el sistema: 4997 Lts/min (1.320 GPM)
Caudal máximo de agua de la UMA: 227 Lts/min (60 GPM)
Volumen máximo de agua en el montante: 2.950 Lts. (780gal)
V.2.2.- PRESIÓN:
A continuación se muestran las tablas de cálculo con los valores de la presión
máxima de trabajo del sistema. Dicha presión fue calculada de tres maneras diferentes
para comparar cada uno de los resultados y verificar que los valores calculados estén
correctos.
56
Pérdidas por
fricción:
Tramo Caudal (gpm) Diámetro (in) Longitud (ft) Pérdida(ft/100) Lequv. (ftH2O) Presión (psi) Pres.c/u (psi) Horizontal 1320 8 85 2.25 1.91 0.83 198
Vertical 1320 8 20 2.25 0.45 0.19 197 1 1260 8 12 2 0.24 0.10 197
2 1200 8 12 1.9 0.23 0.10 197 3 1140 8 12 1.75 0.21 0.09 197
4 1080 8 12 1.5 0.18 0.08 197
5 1020 8 12 1.45 0.17 0.08 197 6 960 8 12 1.4 0.17 0.07 197
7 900 8 12 1.3 0.16 0.07 197 8 840 8 12 1.2 0.14 0.06 197
9 780 6 12 3.5 0.42 0.18 197
10 720 6 12 3.4 0.41 0.18 196 11 660 6 12 3 0.36 0.16 196
12 600 6 12 2.25 0.27 0.12 196 13 540 6 12 2 0.24 0.10 196
14 480 5 12 3.9 0.47 0.20 196 15 420 5 12 3 0.36 0.16 196
16 360 5 12 2 0.24 0.10 196
17 300 5 12 1.6 0.19 0.08 196 18 240 5 12 0.9 0.11 0.05 195
19 180 4 12 2 0.24 0.10 195 20 120 4 12 0.7 0.08 0.04 195
21 60 3 12 0.7 0.08 0.04 195
Total (psi): 3.2 Pérdidas por accesorios:
Accesorio Cantidad Diámetro (in) Lequiv.(ft) Presión (psi) Válvula G. 2 10 5.9 2.6
Válvula C. 2 10 337 146.0
Válvula ch. 1 10 71.3 30.9 Codo 90° 4 10 36.9 16.0
Total (psi): 195.4
Presión total
(psi) : 198.5 (14 Kg/cm2)
Tabla V.1.- Presiones calculadas en base a gráfico Caudal-Fricción (Apéndice II).
57
Pérdidas por
fricción:
Tramo Caudal (gpm) Diámetro (in) Longitud (ft) Pérdida(ft/100) Lequv. (ftH2O) Presión (psi) Pres.c/u (psi) Horizontal 1320 8 85 2.7 2.25 0.98 198
Vertical 1320 8 20 2.7 0.53 0.23 197 1 1260 8 12 2.4 0.29 0.13 197
2 1200 8 12 2.2 0.26 0.11 197 3 1140 8 12 2.0 0.24 0.10 197
4 1080 8 12 1.8 0.22 0.09 197
5 1020 8 12 1.6 0.19 0.08 197 6 960 8 12 1.4 0.17 0.08 197
7 900 8 12 1.3 0.15 0.07 197 8 840 8 12 1.1 0.13 0.06 197
9 780 6 12 3.9 0.46 0.20 196
10 720 6 12 3.3 0.40 0.17 196 11 660 6 12 2.8 0.34 0.15 196
12 600 6 12 2.3 0.28 0.12 196 13 540 6 12 1.9 0.23 0.10 196
14 480 5 12 3.9 0.46 0.20 196 15 420 5 12 3.0 0.36 0.16 195
16 360 5 12 2.2 0.27 0.12 195
17 300 5 12 1.6 0.19 0.08 195 18 240 5 12 1.0 0.12 0.05 195
19 180 4 12 1.9 0.22 0.10 195 20 120 4 12 0.7 0.08 0.04 195
21 60 3 12 0.9 0.11 0.05 195
Total (psi) 3.46 Pérdidas por accesorios:
Accesorio Cantidad Diámetro (in) Lequiv.(ft) Presión (psi)
Válvula G. 2 10 5.9 2.6
Válvula C. 2 10 337 146.0 Válvula ch. 1 10 71.3 30.9
Codo 90° 4 10 36.9 16.0 Total (psi): 195.4
Presión total
(psi) : 198.8 (14 Kg/cm2)
Tabla V.2.- Presiones calculadas en base a la tabla de pérdidas por fricción (Apéndice II).
58
Pérdidas por
fricción:
Tramo Caudal (gpm) Diámetro (in) Longitud (ft) Pérdida(ft/100) Lequv. (ftH2O) Presión (psi) Pres.c/u (psi) Horizontal 942.6 8 85 1.4 1.18 0.51 153
Vertical 942.6 8 20 1.4 0.28 0.12 153 1 899.755 8 12 1.3 0.15 0.07 153
2 856.91 8 12 1.2 0.14 0.06 153 3 814.065 8 12 1.1 0.13 0.05 153
4 771.22 8 12 1.0 0.11 0.05 153
5 728.375 8 12 0.9 0.10 0.04 153 6 685.53 8 12 0.8 0.09 0.04 153
7 642.685 8 12 0.7 0.08 0.04 153 8 599.84 8 12 0.6 0.07 0.03 153
9 556.995 6 12 2.0 0.24 0.11 153
10 514.15 6 12 1.8 0.21 0.09 152 11 471.305 6 12 1.5 0.18 0.08 152
12 428.46 6 12 1.2 0.15 0.06 152 13 385.615 6 12 1.0 0.12 0.05 152
14 342.77 5 12 2.0 0.24 0.11 152 15 299.925 5 12 1.6 0.19 0.08 152
16 257.08 5 12 1.2 0.14 0.06 152
17 214.235 5 12 0.8 0.10 0.04 152 18 171.39 5 12 0.6 0.07 0.03 152
19 128.545 4 12 1.0 0.12 0.05 152 20 85.7 4 12 0.4 0.05 0.02 152
21 42.855 3 12 0.7 0.08 0.03 152
Total (psi): 1.83 Pérdidas por accesorios:
Accesorio Cantidad Diámetro (in) Lequiv.(ft) Presión (psi)
Válvula G. 2 10 250 108.3
Válvula C. 2 10 5.9 2.6 Válvula ch. 1 10 75 32.5
Codo 90° 4 10 19.7 8.5 Total (psi): 151.8
Presión total
(psi) : 153.7 (10.8 Kg/cm2)
Tabla V.3.- Presiones calculadas con base en el caudal real en la tubería.
59
La tabla V.1 muestra los resultados obtenidos de cálculos efectuados a través
de un gráfico Caudal-Fricción de pérdidas de presión, el cual se muestra en el
Apéndice II.
En la tabla V.2 se ofrecen los mismos resultados calculados por medio de una
tabla de pérdidas por fricción mostrada en el Apéndice II.
La tabla V.3 recoge el cálculo de la presión máxima en el sistema, calculada
con base en los valores reales del caudal circulante en la tubería.
En el siguiente capítulo se analizarán algunos aspectos relevantes acerca de
los resultados obtenidos en las tablas de cálculo mostradas anteriormente.
60
INTRODUCCIÓN
En este capítulo se analizarán algunos resultados obtenidos para comprender
de una manera más clara la naturaleza de los mismos. Esto consiste en la
interpretación de los resultados que despiertan el interés o que llaman la atención
dado su valor.
61
VI.1.- CAPACIDAD DE LOS ENFRIADORES DE AGUA Y TONELAJE TOTAL INSTALA DO
EN UNIDADES DE MANEJO DE AIRE:
Uno de los resultados que es motivo de análisis es la capacidad de los
enfriadores de agua contra la carga térmica total del edificio. A continuación se
explica dicho acontecimiento:
El sistema de enfriamiento de agua que se encuentra operativo en el NEA,
consta de dos chillers de 320 toneladas c/u y tiene una capacidad total de 640
toneladas. Actualmente entrega al sistema unas 474 toneladas ya que su rendimiento
está programado para 74 % de su capacidad total. Hay que diferenciar la capacidad de
enfriamiento del agua con la del aire. Las toneladas de refrigeración de los chillers se
refieren a la capacidad que tienen para enfriar el agua que posteriormente se utilizará
para enfriar el aire en las unidades manejadoras de aire. Por otro lado, de acuerdo con
el inventario de equipos asociados al sistema de agua helada (Apéndice I), se tienen
instaladas 813,5 toneladas de refrigeración distribuidas entre UMAS y fancoils en
todo el edificio. La carga térmica total del edificio es de 680 toneladas. En este
sentido, a pesar de que la capacidad de los chillers es de 640 toneladas, se cubre la
carga ya que en realidad lo que las disipa son las 813,5 toneladas instaladas en
unidades de manejo de aire, superando la carga total en 133,5 toneladas. Sin embargo,
dicho tonelaje, si lo convertimos en galones por minuto de agua (GPM), supera en
33% la capacidad de manejo de agua de los dos chillers, es decir, que se han
instalado en el sistema más equipos de manejo de aire (de agua helada) de los que se
plantearon en el proyecto inicial para el cual fueron diseñados los chillers del sistema.
62
VI.2.- PRESIÓN MÁXIMA EN EL SISTEMA:
Analizando los resultados de las tablas de cálculo de la presión máxima en el
sistema, se puede observar lo siguiente:
El valor obtenido en la tabla V.1: Pmax = 198,8 psi, proviene de la toma de
datos de un gráfico de pérdidas por fricción que consta de curvas que se intersectan
para ubicar el valor correspondiente de pérdida según los parámetros introducidos en
los ejes de dicho gráfico. Por otro lado, el valor obtenido en la tabla V.2:
Pmax = 198.5 psi, fue calculado en la tabla de cálculo, introduciendo valores tomados
de una tabla de pérdidas, que contienen cifras establecidas experimentalmente para
las pérdidas de presión según el caudal y el diámetro de la tubería. Ambas tablas
fueron programadas en sus bases de datos con las mismas fórmulas y además, el
caudal utilizado es el mismo en los dos casos. No obstante, la diferencia entre los dos
resultados es consecuencia de errores de precisión en la lectura de datos de la gráfica
de curvas de pérdidas ya que la misma no es tan exacta porque la precisión de la
lectura depende del lector de la misma. Sin embargo, la diferencia entre los dos
resultados no tiene mayor relevancia para el cálculo de los parámetros del proyecto.
Por otro lado, el valor de la presión máxima, Pmax = 153,7 psi, obtenido de la
tabla V.3, difiere en gran magnitud de los valores antes mencionados. Esto se debe a
que el caudal utilizado en este caso es el real que circula por las tuberías de
distribución al edificio, el cual es menor que el máximo utilizado en las dos primeras
tablas. El caudal máximo se utiliza para garantizar que la presión de diseño sea la más
segura.
63
INTRODUCCIÓN
En este capítulo se especifican con detalle las condiciones para la ejecución de
la obra, describiendo cada uno de los equipos a instalar y señalando las instrucciones
a seguir para un correcto funcionamiento del sistema de control.
64
GENERAL:
Los equipos de aire acondicionado que prestan servicio al Nuevo Edificio
Administrativo (NEA), en su primera fase desde el 1er piso al 22, serán objeto de una
total recuperación y automatización mediante la incorporación de dispositivos de
control, sensores, actuadores e instrumentación que optimizará el funcionamiento de
los mismos. Dentro de estos trabajos se contempla la recuperación de los equipos,
sustitución de piezas y repuestos, instalación de tuberías, accesorios y todas las obras
que impliquen la implantación de los elementos de control.
Cada unidad manejadora de aire será provista de cinco (5) actuadores
eléctricos para las compuertas de aire (dampers) gobernados por un controlador
digital directo que recibe las señales de cinco (5) sensores de temperatura ambiente,
colocando un sensor en cada una de las cinco zonas acondicionadas. Por otro lado, se
instalará una (1) válvula tres vías de φ 2 ½” en la tubería de retorno. Dicha válvula
será modulada por un actuador eléctrico basándose en la temperatura registrada por
un (1) sensor insertado en la tubería de retorno de agua de la unidad de manejo de
aire.
Se procederá a instalar los controladores de entradas y salidas universales que
se encargan de procesar la información proveniente de los sensores y enviar las
señales respectivas a los actuadores.
Se instalarán todos los sensores de temperatura ambiente ubicados en pared y
en sitios estratégicos que garantizan la lectura correcta de la temperatura del lugar.
El sistema será conectado a la red local de CANTV para el monitoreo desde
las estaciones de trabajo determinadas con este fin.
65
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS GENERALES:
VII.1.- OBRAS DE HOJALATERÍA:
En los casos en los que se requiera la reparación de la ductería, comprendida
dentro del cuarto de UMA, se realizarán los arreglos pertinentes de la misma. Se
incluirá también el aislante térmico que sea necesario para cubrir las zonas reparadas.
Las obras menores de hojalatería estarán a cargo de la contratista de
mantenimiento autorizada para realizar los trabajos en el CNT, y será supervisada por
la Unidad Electromecánica del CNT.
Los conductos se repararán e instalarán de conformidad con los tamaños y
recorridos que indique el inspector de CANTV, debiendo la empresa autorizada
replantear el trabajo con las dimensiones del sitio de la obra, tomando en cuenta
cualquier impedimento y obstrucción existente.
Las partes de los conductos donde exista la ausencia o deterioro del aislante
térmico y acústico, serán remplazados por el aislante indicado por el inspector de
CANTV.
VII.2.- COMPUERTAS DESVIADORAS DE AIRE (DAMPERS):
Las compuertas desviadoras de aire o dampers serán reparadas en aquellos
casos donde no requieran su completa sustitución. El grado de criticidad o estado de
deterioro de los dampers será indicado por el inspector de CANTV, quien decidirá e
indicará al contratista los elementos que deben ser sustituidos por completo y / o
construidos bajo las dimensiones y especificaciones determinadas por el inspector.
66
VII.3.- TUBERÍA DE AGUA HELADA:
Las tuberías de suministro y retorno φ 2 ½” de agua helada de las unidades
de manejo de aire originales serán desmanteladas según las especificaciones y desde
el punto determinado por el inspector de CANTV.
Para la instrumentación de las nuevas tuberías de suministro y retorno φ 2 ½”
de agua helada de las unidades de manejo de aire se procederá al montaje de un
tramo, determinado por el inspector de CANTV, quien especificará las dimensiones
y los instrumentos de medición y control que deben tener los tramos de tubería antes
mencionados.
Para la tubería de suministro de agua de la UMA se armará un conjunto o
tramo de tubería que contendrá una válvula de compuerta de φ 2 ½”, un filtro Cedazo
y todos los accesorios especificados en los planos de detalle.
Para la tubería de retorno se armará un conjunto con una válvula de globo de
φ 2 ½” de tres vías para el control automático de flujo, una válvula de globo φ 2 ½”
para respaldo, una válvula de compuerta φ 2 ½” y todos los accesorios especificados
en los planos de detalle.
VII.4.- SOPORTES :
Las tuberías deberán fijarse a la estructura del edificio en una forma limpia y
ordenada utilizando para ello soportes adecuados. Un grupo de tuberías paralelas y
horizontales pueden ser directamente suspendidas desde la placa utilizando soportes
del tipo Crane, del tipo trapecio o similar aprobado. No se permitirá el uso de
alambres o planchas metálicas perforadas para soportar las tuberías.
Los soportes deberán abrazar la aislación del tubo, pero debe utilizarse una
banda de protección construida con una lámina de acero calibre 18 y de 10 cm de
longitud, instalada entre el aislante y el soporte.
67
VII.5.- JUNTAS DE EXPANSIÓN:
Deberán incorporarse dentro de los accesorios de las tuberías las juntas de
expansión adecuadas. Las juntas deberán instalarse en los puntos determinados en los
planos de detalle y bajo las especificaciones del inspector de CANTV.
VII.6.- AISLANTE:
Las tuberías de suministro y retorno de agua helada de las unidades de manejo
de aire deberán ser forradas por un aislante térmico de anime de 1 ½” de espesor el
cual será recubierto por una camisa de aluminio.
VII.7.- CAMISAS:
En aquellos casos en los cuales las tuberías tengan que penetrar obras de
concreto: paredes, placas y similares deberán embutirse en camisas de acero
galvanizado de un calibre no menor al número 22.
Las camisas tendrán un diámetro suficientemente amplio que permita que la
tubería aislada pueda penetrar sin dificultad. La camisa debe ser de una longitud tal
que sus extremos queden al ras con las caras de la obra que atraviese.
VII.8.- VÁLVULA REGULADORA DE FLUJO:
Se instalará en la tubería de retorno de agua helada de las unidades de manejo
de aire una válvula de globo φ 2 ½” de tres vías, roscada, la cual es accionada por un
actuador eléctrico proporcional que ejecuta el movimiento de apertura o cierre de la
válvula.
68
La función de dicha válvula es regular el flujo de agua que entra y sale de la
UMA según sea la demanda de agua en el serpentín basándose en la temperatura del
agua de retorno registrada por un sensor insertado en la tubería. La válvula crea un
BY-PASS entre el suministro y el retorno y evita el aumento de la presión en el
serpentín.
VII.9.- SENSORES DE TEMPERATURA AMBIENTE:
Los sensores de temperatura ambiente se instalarán en las zonas
acondicionadas en los puntos determinados por el inspector de CANTV a una altura
de 1,5 m sobre el nivel del piso. El cableado, la instalación y las conexiones deberán
realizarse bajo la supervisión del inspector de CANTV, siguiendo las especificaciones
técnicas suministradas por el proveedor de los mismos.
VII.10.- SENSOR INSERTADO EN TUBERÍA:
Se instalará en la tubería de retorno de agua helada de la UMA, un sensor
insertado en tubería, el cual tiene la función de registrar la temperatura del agua que
retorna de la UMA. El mismo tiene un elemento sensor de acero inoxidable tipo 316,
de 4,5” de longitud. Deberá ser instalado en el codo más cercano a la salida del
serpentín de la UMA. Para su sujeción posee una rosca de ½” de diámetro. La
instalación, el cableado y las conexiones deberán ser realizadas bajo las
especificaciones dadas por el proveedor de dicho producto.
VII.11.- ACTUADORES PARA LAS COMPUERTAS DE AIRE:
Se instalarán los actuadores seleccionados y especificados en este trabajo, los
cuales tienen la función de ejecutar el movimiento de apertura o cierre de las
compuertas de aire de la UMA. Los mismos ofrecen un movimiento proporcional
respondiendo a la temperatura registrada por los sensores de temperatura ambiente
69
ubicados en las diferentes zonas acondicionadas. Los actuadores seleccionados son de
acople directo al pivote o eje de las compuertas. Para soportarlos se utilizará la
estructura de la máquina o una estructura prediseñada que cumpla con los
requerimientos determinados por el proveedor de los equipos. En su instalación se
requiere la supervisión del inspector de CANTV.
VII.12.- ACTUADOR DE LA VÁLVULA REGULADORA DE FLUJO:
Se instalará, en caso de que no esté incorporado de fábrica en la válvula, un
actuador eléctrico de movimiento proporcional que ejecuta la apertura o cierre de la
válvula reguladora de flujo, basándose en la temperatura del agua de retorno de la
máquina. Su instalación, cableado y conexiones deben efectuarse bajo las normas y
especificaciones del proveedor de los equipos.
VII.13.- CONTROLADORES:
Se instalará en cada cuarto de aire acondicionado un controlador de entradas y
salidas universales cuya función es procesar las señales de entrada y dar una
respuesta a los actuadores para que ejecuten las operaciones correspondientes según
los parámetros preestablecidos. Cada controlador está provisto de un módulo de
expansión de salidas analógicas. El conjunto ofrece seis (6) entradas analógicas y dos
(2) digitales, y seis (6) salidas analógicas y una (1) digital.
La instalación de los controladores se realizará en su totalidad por la empresa
contratista proveedora de los equipos y bajo la supervisión del inspector de CANTV.
70
Con los avances de la tecnología moderna, nos encontramos envueltos en un
mundo de innovaciones y creaciones que, hasta hace pocos años, no dejaban de ser
parte de la imaginación del hombre. Las tendencias tecnológicas y de desarrollo
actual se están inclinando hacia el campo de los procesos de automatización, desde
los más sencillos hasta los más complejos. Dentro de estos procesos, encontramos
que la automatización de edificios está jugando un papel cada vez más importante
para la tecnología, con acceso a una gran variedad de posibilidades en el mercado. En
este sentido, el objetivo principal que se persigue con la automatización de un edificio
es, sin lugar a dudas, el ahorro de energía y en general la disminución de los costos
del mantenimiento de los sistemas que componen su infraestructura. En lo que
concierne al área del aire acondicionado, nos encontramos con un sin número de
sistemas de automatización y control que se adaptan a las diferentes necesidades y
requerimientos de este servicio.
El aire acondicionado es, en particular, la principal fuente de consumo de
energía dentro de cualquier edificación. Si calculamos en porcentaje el consumo de
energía producido por los diferentes sistemas de un edificio, es decir, iluminación,
equipos de computación, ascensores, bombas y sistemas de emergencia,
encontraremos que el aire acondicionado abarca 60 % del consumo total de la
edificación. Esto hace reflexionar sobre la importancia que tiene la incorporación de
dispositivos que controlen y regulen dicho consumo y, aún más, que nos permitan
visualizar y modificar el sistema completo a través de un computador, ahorrando
costos de personal y mantenimiento. Sin embargo, es importante conocer bien las
necesidades de cada proyecto de automatización en particular ya que, con base en
dichos requerimientos, se seleccionarán los equipos y dispositivos de control que den
la respuesta más eficaz y eficiente posible y que garantice el correcto funcionamiento
de este proceso tan importante.
71
En el caso del Nuevo Edificio Administrativo (NEA) de CANTV, poniendo
énfasis en el objetivo de este proyecto, se puede garantizar que con la incorporación
de los elementos que aquí se proponen, no sólo se disminuirán los costos de
operación de las unidades de manejo de aire, sino que a la vez se podrá realizar un
plan de mantenimiento más efectivo y confiable que disminuirá el número de fallas y
brindará un mejor servicio a los usuarios del edificio.
72
Para la correcta elaboración y ejecución de este proyecto, se recomienda
seguir las normas, especificaciones y códigos descritos en la memoria descriptiva de
este trabajo.
Por otro lado, en la selección de los equipos, se deben recomendar al menos
dos marcas diferentes, cuyos equipos tengan las mismas características, con el fin de
garantizar y respaldar el funcionamiento de los mismos.
Antes de la ejecución de la obra, se debe realizar un mantenimiento general a
todos los equipos y unidades de aire acondicionado involucradas en el alcance del
mismo.
73
BIBLIOGRAFÍA
Carrier Air Conditioning Company, Manual de aire acondicionado, Barcelona-
México, Marcombo-Boixareu editores.1983.
Air conditioning and Refrigeration Institute, Refrigeración y aire
acondicionado. España. Editorial Rossat, S.A.1981.
Van Wylen y Sountag, Fundamentos de termodinámica. España. Editorial
Limusa.
Vennard, Jhon K. y Street, Robert L. Elementos de la mecánica de fluidos.
México. Compañía editorial Continental, S.A. 1979
Ing. Giuseppe Bavaro. Bombas centrífugas. (1992).
Otros:
1.- Catálogos:
-Carrier: Confort Controller, Temp System, VVT System, Confort Network.
-Trane: Tracker sistema de administración de edificios, Tracer Summit,
Building Management System.
-Honeywell: Tradeline Catalog.
-Belimo: Electronic Controlo Valves.
-Landis and Gyr: Powers System 600.
74
2.- Páginas Web:
www.carrier.com
www.trane.com
www.honeywell.com
www.jhonsoncontrols.com
www.automaticlogic.com
3.- Visitas, cursos y charlas:
Visita sede Trane, Los Cortijos. Caracas.
Visita sede Carrier, Colinas de Bello Monte. Caracas.
Curso de aire acondicionado: Compresores Nivel I, Climarcenter, Boleita
Norte. Caracas.
Seminario: P & S Digital, Hotel Eurobuilding. Caracas.
75
76