Facultad de Ingeniería Industrial y Mecánica

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1 Facultad de Ingeniería Industrial y Mecánica Carrera profesional de Ingeniería Mecánica Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Mecánico Propuesta del Sistema de Aire Acondicionado utilizando el Control de Temperatura Honeywell T7350, para Ahorro de Energía en la Empresa TLI Aduanas SAC Bachiller: Mamani Tunque, William Lima Perú 2016

2 DEDICATORIA A gracias a Dios, por iluminar y guiar mi camino, a mis padres, familia porque a pesar de los obstáculos que presenta la vida siempre me dieron su apoyo en los momentos más difíciles de mí carrera todo se debe a ellos mis grandes tesoros en esta vida. II

3 AGRADECIMIENTO A mi alma mater, Universidad Tecnológica del Perú, además a SENATI y GAMOR, por darme la oportunidad de ser un ingeniero y técnico capacitado para solucionar los problemas que presenta mi país. III

4 INDICE RESUMEN INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I ASPECTOS GENERALES Descripción de la empresa Descripción del problema Problema general Problemas específicos Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Justificación e Importancia Limitaciones CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO Refrigeración y aire acondicionado Historia de la refrigeración y el aire acondicionado Ciclo de Carnot para refrigeración Ciclo por compresión de vapor La carta psicométrica Diagrama de Mollier Sistema del aire acondicionado Definición del aire acondicionado Clasificación de los equipos de aire acondicionado Diseño de ductos de aire acondicionado y ventilación Tabla de ábaco de ductos pequeños Conceptos de software para cálculos de ductos Reglamento nacional de edificaciones Método como calcular el costo de los ductos Controles de temperatura (termostatos) Termostato Honeywell programable T IV

5 Aplicaciones del termostato programable Software para uso de control de equipos de aire acondicionado y refrigeración Accesorios electromecánicos que trabajan con el control de temperatura Honeywell T Dampermotorizados Válvula de agua de 3 Vías y 2 Vías Sensor de movimiento Contactores eléctricos y fan relé Cálculo de carga térmica para equipos de aire acondicionado Método 1 Para climas templados Método 2 Para climas tropicales Método 3 Cálculo practico de carga térmica Método 4 Cálculo básico de la capacidad de un climatizador CAPÍTULO III METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN Metodología de solución Tipo de investigación Nivel de investigación Diseño de investigación Hipótesis de investigación Hipótesis general Hipótesis especificas Variables Variable dependiente Variable independiente Indicadores Matriz de consistencia Operacionalización de variables Diseño de instalación del equipo de aire acondicionado Cálculo de carga térmica con el método Cálculo de carga térmica con el método Cálculo de carga térmica con el método Cálculo de carga térmica con el método Selección del equipo de aire acondicionado Diseño del ducto para el aire acondicionado a instalar V

6 3.9. Procedimiento de instalacion y uso del control de temperatura honeywell T7350 (programable) Pasos para programar el termostato en el area a climatizar Procedimiento de instalación y uso del software webstat con los termostatos T Instalación y procedimiento del termostato con el servidor WebStat Calculo con los 3 tipos de instalación de controles de temperatura Consumo de energía de la unidad con el termostato no programable convencional (proyecto A) Consumo de energía de la unidad con el termostato programable Honeywell T7350 (proyecto B) Consumo de energía de la unidad con el termostato programable Honeywell T7350 y un sensor de movimiento (proyecto C) CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE RESULTADOS Análisis y presentación de resultados Presentación del consumo mensual en kwh Presentación del consumo mensual en kwh en porcentajes CAPÍTULO V EVALUACIÓN ECONÓMICA Comparación de los 3 sistemas de instalación del aire acondicionado Análisis de comparación económica de los proyectos A, B y C Diferencias económicas finales en los proyectos A, B y C Utilización del VAN y TIR para realizar comparaciones económicas en los proyectos A, B y C CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA ANEXOS VI

7 LISTA DE SIMBOLOS BTU Unidad térmica inglesa Ca Columna de agua CFM Pies cúbicos por minuto cm Centímetros cm 2 Centímetros cuadrados ºC Grados centígrados ºF Grados fahrenheit Ft Pies Ft 2 Pies cuadrados FPM Pies por minuto Hr Hora ºK Grados Kelvin Lb Libras m Metro m 2 Metros cuadrado m 3 m/s m 3 /s Hp kw Seg Kg P Pulg RPM TON o TR UMA V W A TBS TBH kcal a b Metros cúbicos Metros por segundo Metros cúbicos por segundo Caballos de fuerza Kilowatts Segundos Kilogramos Potencia Pulgadas Revoluciones por minuto Toneladas de refrigeración Unidad manejadora de agua Velocidad Watts Área Temperatura de bulbo seco Temperatura de bulbo húmedo Kilocalorías Longitud de un lado del ducto Longitud de un lado adyacente del ducto VII

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1. Vista frontal y plano de ubicación de la empresa Figura 1.2. (a) Plano segundo nivel. (b) Plano del área comercial Figura 2.1. Antigua forma de climatizar a las personas Figura 2.2. Ciclo de Carnot de la Refrigeración Figura 2.3. Ciclo por comprensión de vapor en refrigeración Figura 2.4. Diagrama Presión Entalpia Figura 2.5. Clasificación de los refrigerantes Figura 2.6. Diagrama de la carta psicométrica para temperaturas normales Figura 2.7. Ubicación de temperatura de bulbo seco. 35 Figura 2.8. Ubicación de temperatura de bulbo húmedo...35 Figura 2.9 Ubicación de humedad relativa...35 Figura Ubicación líneas de granos de humedad Figura Ubicación de contenido total de calor Figura Ubicación de la velocidad del aire Figura Diagrama de Mollier Figura Zona de confort de invierno y verano Figura Aire acondicionado tipo ventana.. 40 Figura Aire acondicionado tipo split ducto Figura Aire acondicionado tipo split decorativo Figura Aire acondicionado tipo paquete.. 43 Figura Equipo de aire acondicionado chiller enfriados por aire y enfriado por agua Figura Mantenimiento de la unidad condensadora Figura Monitoreo de amperaje y voltaje de la unidad condensadora Figura 2.22.Termostato honeywell programable T Figura Diagrama eléctrico de conexión de termostato honeywell T Figura Diagrama de funcionamiento con el software Scada para HVAC Figura Arquitectura del sistema Tracer summit Figura Conexión del termostato honeywell T7350 con el servidor Figura Esquema de un dampermotorizado para aire acondicionado Figura Diagrama eléctrico de conexión del dampermotorizado Belimo AMB VIII

9 Figura Válvulas de agua helada de 2 y 3 vías Figura Esquema de instalación de una válvula de 3 vías de agua helada Figura Esquema eléctrico de una válvula de 3 vías de agua helada...65 Figura Información técnica de una válvula de 3 vías de agua helada Figura Esquema de instalación de una válvula de 2 vías de agua helada Figura Sensor de movimiento 360 grados.. 67 Figura Esquema de conexión eléctrica del sensor de movimiento con una lámpara Figura Esquema de un contactor eléctrico monofásico Figura Esquema de contactos primarios y secundarios de un contactor Figura Esquema eléctrico de un relé con sus conexiones Figura Esquema eléctrico del relé con su diagrama de conexiones Figura Esquema eléctrico de un equipo de aire acondicionado convencional con un termostato.72 Figura Datos técnicos de potencias eléctricas de equipos electrodomésticos Figura 3.1. Valores en la carta psicométrica de TBS, TBH y HR % Figura 3.2. Esquema del ambiente a climatizar Figura 3.3. Esquema del ambiente a climatizar...92 Figura 3.4. Esquema del ambiente a climatizar...94 Figura 3.5. Esquema del ambiente a climatizar Figura 3.6. Diagrama de Mollier con entalpias halladas Figura 3.7. Plano de distribución de ductos de aire acondicionado en el área Figura 3.8. Plano de distribución de ductos de aire acondicionado en isométrico Figura 3.9. Esquema de conexión electrica para prueba del contro convencional Figura Ubicación correcta del termostato a instalar Figura Esquema de conexion electrica con un sensor de movimiento en un termostato T Figura Diagrama escalera de conexión eléctrica del termostato a instalar Figura Esquema de conexion entre sensor de movimiento y el termostato Figura Esquema isométrico de disposición de los equipos de aire acondicionado Figura Botones para el seteo del termostato honeywell T7350 programable Figura Instalación del termostato honeywell T7350 programable con el software Figura Puertos de conexión del termostato honeywell T7350 programable con el software Figura Puntos de conexión del termostato honeywell T7350 programable con el software. 125 Figura Instalación de cable de red en el servidor WebStat IX

10 Figura Instalación del termostato honeywell T7350 programable con el software webstat Figura Imagen del software WebStat en la pantalla de la PC Figura Visualización de los parámetros con el software WebStat Figura Datos del termostato honeywell T7350 programable con el software WebStat Figura Ubicación del termostato honeywell T7350 programable con el software Figura Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado Figura Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado. 130 Figura Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado Figura Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado X

11 LISTA DE TABLAS Tabla 2.1. Equivalencias usuales en refrigeración Tabla 2.2. Medidas y capacidades de sistema de tipo chiller Tabla 2.3. Tabla de velocidades de aire recomendadas en ambientes a climatizar..48 Tabla 2.4. Abaco de ductos pequeños Tabla 2.5. Tabla de dimensiones equivalentes para ductos rectangulares Tabla 2.6. Tabla de fabricación de ductos según las normas SMACNA..51 Tabla 2.7. Tabla para calcular el diámetro de ductos en forma circular y rectangular..52 Tabla 2.8. Tabla para calcular la cantidad de ductos de aire acondicionado..53 Tabla 2.9. Tabla de modelos de termostatos honeywell T Tabla Tabla del cálculo de selección de equipos de aire acondicionado..74 Tabla Tabla de selección de equipos de aire acondicionado..75 Tabla Tabla de selección de equipos de aire acondicionado..76 Tabla 3.1. Planteamiento del método de investigación científica..82 Tabla 3.2. Matriz de consistencia 84 Tabla 3.3. Operacionalización de variables..84 Tabla 3.4. Datos de temperatura máxima y mínima en lima durante todo el año..85 Tabla 3.5. Gráficos de temperatura en todo el año Tabla 3.6. Condiciones de humedad y temperatura recomendadas para confort..86 Tabla 3.7. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 1 91 Tabla 3.8. Calculo de la carga térmica con el método 2.93 Tabla 3.9. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 2 94 Tabla Memoria de cálculo de la carga térmica con el método Tabla Memoria de cálculo de la carga térmica con el método Tabla Tabla para la selección del equipo de aire acondicionado Tabla Memoria de cálculo realizado a los equipos de aire acondicionado..100 Tabla Memoria de cálculo realizado a los equipos Tabla Tabla de fabricación de ductos según las normas SMACNA. 105 Tabla Caída de presión en un ducto pequeño.106 Tabla Tabla de conversión de ductos circulares a rectangulares.107 Tabla Tabla de selección de ductos de aire acondicionado a CFM Tabla Tabla de selección de ductos de aire acondicionado a CFM Tabla Tabla de selección de ductos de aire acondicionado a 500 CFM.109 XI

12 Tabla Tabla para hallar la cantidad de planchas galvanizadas y la cantidad de aislamiento térmico 109 Tabla Potencia del aire acondicionado en total Tabla Potencia de los aires acondicionados en total en el proyecto A Tabla Potencia del aire acondicionado en total 134 Tabla Potencia de los aire acondicionado en total en el proyecto B 134 Tabla Simulación de encendido y apagado del aire acondicionado Tabla Potencia del aire acondicionado en total Tabla Potencia de los aire acondicionados en total del proyecto C.138 Tabla 4.1. Potencia en kwh de los equipos de aire acondicionado Tabla 4.2 Potencia en kwh de los equipos de aire acondicionado representado en porcentaje Tabla 4.3. Potencia en kwh y porcentajes de ahorro de energía de los equipos de aire acondicionado Tabla 5.1. Presupuesto de instalación de aire acondicionado proyecto A 144 Tabla 5.2. Presupuesto de instalación de aire acondicionado proyecto B Tabla 5.3. Presupuesto de instalación de aire acondicionado proyecto C 146 Tabla 5.4. Diferencias económicas mensual en los 3 proyectos A, B y C. 147 Tabla 5.5. Diferencias económicas en los proyectos A, B y C 147 Tabla 5.6. Tabla de diferencia económica entre los proyectos A y B Tabla 5.7. Tabla de diferencia económica entre los proyectos A y C Tabla 5.8. Tabla de VAN y TIR en los 3 proyectos A, B y C XII

13 RESUMEN El presente proyecto considera el cálculo térmico y diseño de un sistema de aire acondicionado con control automático de temperatura por medio de un sensor de movimiento y un termostato programable modelo Honeywell T7350, para los once ambientes en remodelación de la empresa TLI Aduanas SAC. La empresa TLI Aduanas SAC, es una entidad dedicada a la exportación e importación de productos en general. En la primera parte del presente trabajo de investigación se detallan los cálculos de la carga térmica mediante tres métodos para tener una mejor confiabilidad. A partir de estos resultados se selecciona la capacidad de los equipos de aire acondicionado a ser utilizados en cada ambiente. Luego se procede al diseño de los ductos para las líneas de suministro y retorno de aire, todo ello se realiza teniendo en cuenta las Normas técnicas de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE). Sobre este diseño se pasó a estudiar el uso del control automático de temperatura, con ayuda de un sensor de movimiento y el termostato programable Honeywell T7350. Para ello se utilizaron datos simulados de los tiempos de encendido y apagado de los equipos para los siguientes casos: (A) Con control manual de temperatura, (B) Con control de termostato de programación fija y (C) Con el control automático de temperatura. Para estos tres casos se realizaron las comparaciones de consumo y ahorro de energía, así como las evaluaciones económicas, del valor actual neto (VAN) y la tasa interna de retorno (TIR). 13

14 Finalmente el sistema de aire acondicionado con control automático de temperatura (proyecto C), en comparación con un sistema de aire acondicionado con control manual de temperatura (proyecto A), consigue un ahorro de energía de la orden del 63%, lo cual se traduce en un VAN positivo. Además el retorno de la inversión se consigue a partir del segundo año, lo que indica que el proyecto es viable. 14