Cálculo de la carga de calor
Introducción
¡Hola!
¡Qué emoción volvernos a encontrar! Espero que sigas desarrollando tus habilidades y conocimientos en este proceso académico, por lo tanto te doy la bienvenida a la décima clase del curso.
En esta sesión, se revisarán conceptos como lo es el cálculo de la carga de calor para el diseño de sistemas de frío. Entre otras cosas, se mencionará el procedimiento a seguir para determinar el calor total necesario para refrigerar el producto. Es importante mencionar que en esta sesión se revisarán las ecuaciones típicas empleadas para el cálculo de la carga de calor a remover en un sistema de refrigeración industrial.
A manera de apoyo, también se proporcionará una tabla para indicar el calor que puede llegar a transmitirse por las paredes considerando diferentes tipos de aislamiento así como otra en la que se menciona el calor aportado para parte de los motores de los ventiladores que serán colocados dentro del sistema de refrigeración. Aquí, dependerá mucho de la potencia del motor para evaluar esta cantidad de calor.
Se mencionará información sobre el aporte que ofrecen diferentes productos en términos de calor a remover, el número mínimo de cambios de aire para estos productos y la influencia de la infiltración de aire al interior de los sistemas de refrigeración. Cabe mencionar que las ecuaciones mostradas son empleadas con base a normativa internacional que, para el caso de América, es la Sociedad Americana de Ingenieros en Climatización y Refrigeración (ASHRAE, por sus siglas en inglés) la que establece la normativa a ser empleada.
Finalmente, lo revisado en esta sesión será el preámbulo para poder realizar cálculos de carga térmica para diversas aplicaciones, lo cual será el tema de la sesión 10 del presente curso. Toma nota de las ecuaciones y de las tablas empleadas ya que serán necesarias para el cálculo de la carga de calor.
No se diga más. ¡Iniciemos nuestro aprendizaje!
¡Éxito!
Desarrollo del tema
La carga térmica se define como la cantidad de calor que debe ser retirada del sitio por refrigerar para reducir o mantener la temperatura deseada. En un área por acondicionar, la carga térmica se debe eliminar mediante enfriamiento, el cual resulta de la suma de las cargas térmicas en las que están involucradas diferentes fuentes.
Es posible diferenciar las cargas térmicas de acuerdo al tipo de calor proporcionado por diferentes medios. La carga térmica por calor sensible, por ejemplo, se debe a una diferencia de temperatura y también a la radiación térmica. “La carga térmica por calor latente se presenta por la aportación de la humedad al aire.” (S&P, Junio 20, 2020. En Cálculo de cargas térmicas: conceptos básicos y métodos | S&P)
Por su parte, para mantener fría una cámara y todo lo que esté contenido en ella, es necesario extraer el calor inicial y, luego, el que pueda entrar en ella, aunque se encuentre bien aislada.
Según la Sociedad Americana de Ingenieros en Climatización y Refrigeración (ASHRAE), para el cálculo de la carga térmica en cámaras de almacenamiento de alimentos son considerados los siguientes factores:
- Transmisión de calor por la superficie.
- Calor que el alimento debe perder para alcanzar la temperatura deseada.
- Calor interno referente a personas.
- Lámparas y equipamientos, infiltraciones de aire.
- Calor de los moto-ventiladores y tiempo previsto de funcionamiento.
- Coeficiente de seguridad.
El requerimiento total de refrigeración (Q total) puede establecerse como:
Q producto. Representa los sumandos necesarios que tiene en consideración la carga térmica por eliminar, procedente del calor sensible, del calor latente de solidificación, de las reacciones químicas del embalaje y del calor absorbido para la congelación del agua de los alimentos o productos que se desea refrigerar.
Q otras fuentes. Incluye, entre otros, los flujos de calor a través de los cerramientos de la cámara por transmisión de paredes, suelo y techo, la refrigeración para el aire exterior que se introduce, la ventilación, las cargas térmicas debidas a ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que manipulan los productos, etc.
Como el calor generado durante las 24 horas de un día se ha de extraer en un número de horas menor que las horas de funcionamiento diario, la potencia frigorífica de la maquinaria NR habrá de ser superior a la potencia Q total calculada para extraer durante las 24 horas. Su valor será:
Carga por transmisión
Los métodos para determinar la cantidad de flujo de calor a través de los muros, piso y techo están bien establecidos. Esta ganancia de calor es directamente proporcional al diferencial de temperatura (DT) entre los dos lados del muro. El tipo y espesor del aislamiento usado en la construcción de la pared, el área exterior de la pared y el DT entre los dos lados del muro son los tres factores que establecen la carga a través de muros.
Existen tablas que proporcionan información para simplificar los cálculos.
La pérdida de calor está sujeta a muchas variables predecibles con exactitud. Los factores mostrados en la Tabla 1 de calor ganado a través de muros están basados en piso de concreto y el DT entre la temperatura del suelo y la temperatura de almacenamiento de la cámara.
En el caso de los congeladores, es posible que se necesite proveer calor en la base de la losa para evitar congelamiento del agua del terreno y levantamiento del piso. La temperatura mínima de la losa deberá ser por lo menos 40 °F; normalmente, 55 °F deberá ser usada para aplicaciones de congeladores.
Tabla 1. Cargas de transmisión de calor en paredes.
| Factor | Descripción |
| K | El valor de aislamiento de cualquier material es considerado por su conductividad térmica |
| U | Coeficiente global de transferencia de calor, BTU por hora/por ft2/°F |
| R | Resistencia térmica |
| X | Pulgadas de aislamiento |
Carga del producto
Si un producto tiene una temperatura más alta que la que se tiene en la cámara de refrigeración o congelación, éste perderá calor hasta llegar a la temperatura de almacenamiento. En este sentido, la carga térmica para este caso está constituida por tres componentes:
- Calor específico. Este componente tiene dos valores, el primero se aplica cuando el producto está por encima del punto de congelación y el segundo después de que el producto ha alcanzado su punto de congelación. Se debe recordar que el calor específico es la energía necesaria para elevar 1°C la temperatura del producto sin que exista cambio de fase.
- Calor latente. Es la energía necesaria para que exista un cambio de fase en el producto. La mayoría de los productos tienen un punto de congelación en el rango entre -3.33 y -0.5°C (26 y 31 °F). Si la temperatura exacta es desconocida, se puede tomar un valor promedio entre estos valores, es decir, -2.4°C. Una relación entre el calor latente de fusión del contenido de agua del producto, su calor específico y latente es:
Calor específico arriba del punto de congelación = 0.2+0.008% de agua
Calor específico debajo del punto de congelación = 0.2 + 0.003% de agua
Calor latente = (143.3)(% de agua)
- Respiración. El producto tal como frutas, carne, verduras, generan calor, mismo que se conoce como calor de respiración. Esta energía es liberada por el producto y depende del tipo y temperatura del mismo. Existen valores identificados para diferentes productos para este calor por respiración. Dichos valores (expresados en BTU/lb/24 hrs) son aplicados al peso total del producto que se almacena y no solo lo retirado diariamente.
Tiempo de abatimiento
Es la cantidad de segundos que pasan para bajar la temperatura hasta el valor de diseño del equipo. Cuando la carga térmica del producto se calcula para un tiempo de abatimiento diferente a 24 horas, se debe emplear la siguiente expresión:
Otras cargas
Además de las cargas térmicas causadas por pérdida de calor a través de paredes, cambios de aire y producto enfriado o congelado, existen un par de cargas que a menudo se deben considerar en la selección de un equipo de refrigeración o congelación ya que el equipo debe mantener las condiciones de temperatura de diseño. Dichas cargas son debidas a las luces y a los motores, y deben promediadas en un tiempo de 24 horas para suministrar la capacidad durante este lapso. La Tabla 2 muestra el calor equivalente de motores eléctricos.
Tabla 2. Calor equivalente de motores eléctricos [2].
Carga por cambios de aire
Cuando existe apertura de puertas en las cámaras de refrigeración, es inevitable que el aire del exterior ingrese a la cámara. Esta infiltración produce que el sistema trabaje más ya que a medida que se ingresa aire a temperatura más alta, el sistema siempre intentará enfriarlo. La Tabla 3 muestra los cambios de aire recomendados con base en la experiencia.
Tabla 3. Cambios promedio de aire en 24 horas para cuartos de almacenamiento arriba de 0°C debido a la apertura de puertas e infiltración.
Cambio de aire promedio
Como alternativa al uso de tablas para el cálculo de la infiltración, se puede utilizar la carta psicrométrica. Para ello es necesario hacer uso de la ecuación (7) la cual considera la ventilación natural (sin viento).
Aquí, X es el porcentaje de transmisión de calor bloqueado por la barrera térmica.
Para una mejor comprensión del tema revisado en esta sesión, te invito a revisar los siguientes videos:
Conclusión
En esta clase se revisaron temas como cálculo de cargas térmicas para un sistema de refrigeración, cargas térmicas debidas al producto y otras cargas que normalmente no son consideradas en los análisis de cargas.
Se mencionó la diferencia entre calor sensible y calor latente, ya que ambos tipos de calor pueden estar presentes a la hora de hacer el cálculo de las cargas térmicas. También se revisaron los motores en un sistema de refrigeración y el cambio de aire, dependiendo del tipo de producto que se está almacenando.
Finalmente se revisaron algunos datos experimentales para facilitar el cálculo de cargas térmicas y se propuso el uso de tablas o de una ecuación que conlleva el conocimiento de la superficie de la puerta, la humedad y el tiempo de apertura, lo anterior para conocer el valor de la infiltración la cual se definió como la cantidad de aire a temperatura ambiente que ingresa al sistema de refrigeración y que está directamente relacionado con el abatimiento de temperatura.
La metodología que se planteó para el cálculo de cargas térmicas o de calor, está fundamentada en el uso de normativa internacional como la que ofrece el ASHRAE. Es necesario recordar que en América, este organismo es el encargado de emitir regulaciones sobre el uso de sistemas de refrigeración y por tanto, el procedimiento en todo diseño debe apegarse a lo establecido en los estándares que emiten este tipo de organismos.
Evidentemente, a las cargas térmicas calculadas deberá sumarse un factor de seguridad, el cual para fines prácticos puede ser desde 2 hasta 6 veces el valor del cálculo obtenido.
Hemos llegado al final de nuestra sesión. ¡Muchas felicidades por tu dedicación y tenacidad! Resuelve la consigna formulada para este tema; te invito a esforzarte para cumplir con este compromiso en tiempo y forma. ¡Sigue adelante con entusiasmo! Te encuentro próximamente.
Fuentes de información
Cálculo de cargas térmicas: conceptos básicos y métodos | S&P