El cálculo de la carga térmica es un paso crítico en el diseño de cualquier equipo industrial y sistema de refrigeración. Afecta directamente a la selección del equipo de refrigeración y a la eficacia del funcionamiento del sistema, y determina si el equipo puede mantener eficazmente las temperaturas de funcionamiento a cargas máximas. Tanto si la aplicación es un sistema de refrigeración por líquido, por aire o por intercambiador de calorun cálculo preciso de la carga térmica garantiza un funcionamiento estable del sistema a largo plazo y evita una demanda de refrigeración excesiva o insuficiente.
Para ayudar a los proveedores y fabricantes de equipos a realizar cálculos precisos de las cargas térmicas, este artículo analiza en profundidad cómo se determinan las cargas térmicas, los factores clave que influyen, las herramientas que intervienen en el proceso de cálculo y cómo medir con precisión las temperaturas y los caudales. Si domina estos cálculos y mediciones, podrá ofrecer a sus clientes soluciones de refrigeración eficientes que garanticen el funcionamiento fiable de sus equipos con distintas cargas de trabajo. A continuación, repasaremos los conceptos básicos de las cargas térmicas y los pasos necesarios para calcularlas.
Índice
¿Qué es la carga térmica?
La carga térmica es la cantidad de calor que hay que eliminar de un sistema, normalmente procedente de procesos de conversión de energía dentro del sistema. Es un dato fundamental en el diseño de un sistema de refrigeración y afecta directamente a la especificación y configuración del equipo de refrigeración seleccionado. Tanto si la aplicación es una unidad de refrigeración (CDU), un refrigerador de recirculación o un intercambiador de calor, el cálculo preciso de la carga térmica es clave para seleccionar la solución de refrigeración adecuada. Sólo mediante cálculos precisos de la carga térmica podemos garantizar que el sistema de refrigeración funcione eficazmente con distintas cargas de trabajo, evitando el exceso o la falta de refrigeración y mejorando así la eficacia y estabilidad generales del sistema.
Métodos básicos de cálculo de la carga térmica
Estimación aproximada: Para un sistema accionado eléctricamente, el método de estimación más sencillo consiste en suponer que toda la energía eléctrica de entrada se convertirá en calor. Según la primera ley de la termodinámica, el calor producido por el sistema es igual a la energía eléctrica consumida. Este método es adecuado para aplicaciones sencillas sin fuentes de calor o cargas del sistema complejas.
Cálculos precisos: Un cálculo más preciso es utilizar la ecuación de transferencia de calor:
Q=mxCpΔT
Q = carga térmica (W o BTU/hora)
m = Caudal másico (kg/s o lb/h)
C_p = Calor específico (J/gK o BTU/lb°F)
ΔT = cambio de temperatura (°C o °F).
Esta fórmula proporciona datos más precisos sobre la carga térmica, pero requiere que el caudal másico (m) y el cambio de temperatura (ΔT) del fluido se obtengan experimentalmente, y que se conozca el valor del calor específico del fluido (C_p).
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Factores clave que influyen en el cálculo de la carga térmica
Tipo de sistema: Los diferentes tipos de sistemas de refrigeración tendrán diferentes requisitos de cálculo. Por ejemplo, los sistemas refrigerados por líquido y por aire tienen diferentes métodos de cálculo y requisitos de parámetros. La refrigeración por líquido suele requerir mediciones precisas del caudal y la temperatura, mientras que la refrigeración por aire puede centrarse en la eficiencia del intercambio de calor.
Propiedades del fluido: El calor específico del fluido (C_p) es un parámetro esencial a la hora de calcular la carga térmica. Los distintos tipos de fluidos (por ejemplo, agua, aceite o líquidos especiales) tienen distintas capacidades caloríficas y, por tanto, distintos valores de calor específico. Es importante asegurarse de que se utilizan los datos de fluido adecuados para garantizar la exactitud del cálculo.
Cambio de temperatura (ΔT): El cambio de temperatura (ΔT) es un parámetro central en los cálculos de carga térmica. Las mediciones precisas de la temperatura son fundamentales para garantizar la exactitud de los cálculos. Los termopares se utilizan habitualmente para medir la diferencia de temperatura y deben colocarse lo más cerca posible de la zona por la que circula el fluido para mejorar la precisión de la medición.
Caudal másico (m): La medición precisa del caudal másico (m) del fluido es otro factor crítico en el cálculo de la carga térmica. Puede medirse con gran precisión utilizando un caudalímetro de turbina o, a falta de éste, midiendo el caudal a través de un recipiente graduado y un temporizador. En cualquier caso, es muy importante mantener el caudal constante.
Equipos y herramientas clave
Termopar: Un termopar es un sensor de temperatura de uso común formado por dos metales distintos que utilizan la diferencia de temperatura entre ellos para producir una tensión. Los requisitos de precisión habituales son de ±0,2° F. En los sistemas de refrigeración, los termopares suelen colocarse en las tuberías por las que circula el fluido para garantizar mediciones de temperatura precisas. Por ejemplo, un termopar se utiliza en un sistema de refrigeración para medir el cambio de temperatura antes y después de que el fluido circule por el sistema. Si el fluido entra en el sistema a 20°C y sale a 30°C, entonces la ΔT es de 10°C. Si el termopar tiene un error de medición de ±0,5°C, entonces puede tener un error de medición de ±5%.
Caudalímetros de turbina: Los caudalímetros de turbina miden con precisión el caudal másico de un fluido con unos requisitos de precisión que suelen ser de ±1%. Cuando el sistema funciona a carga máxima, un caudalímetro de turbina puede proporcionar datos coherentes y fiables para ayudarle a calcular con precisión la carga térmica.
Recipientes graduados y temporizadores: Si no se dispone de un caudalímetro, pueden utilizarse recipientes graduados y temporizadores para medir el caudal. Los datos de caudal pueden obtenerse recogiendo un volumen de muestra de fluido a un caudal constante y calculando la relación entre el volumen recogido y el tiempo. Este método requiere un caudal constante y, por tanto, un sistema de control preciso para funcionar.
Calibración y precisión de medición de los termopares
La precisión de los termopares tiene un impacto muy significativo en los cálculos de carga térmica. Un pequeño error de medición puede provocar desviaciones significativas en los resultados de los cálculos. Por lo tanto, es fundamental garantizar la precisión y exactitud de los termopares. A continuación se indican varios métodos de calibración de termopares:
Calibración de termopares: Para garantizar la precisión, se recomienda calibrar los termopares antes de realizar las pruebas. Al calibrar, se puede utilizar una fuente de temperatura estándar (por ejemplo, punto de congelación o ebullición) para confirmar la precisión del termopar. Si no es posible realizar una calibración directa, puede calibrar indirectamente dos termopares comparando sus lecturas. Supongamos que tiene dos termopares, uno con una lectura de 20,0°C y el otro con una lectura de 20,5°C. Sin una carga térmica, tienen una lectura de 20,0°C y 20,5°C respectivamente. Sin carga térmica, tienen una diferencia de temperatura de 0,5°C. Si los pone en funcionamiento bajo carga y comprueba que leen 25,0°C y 30,5°C, respectivamente, puede corregir las mediciones calculando el cambio de temperatura real:
ΔT=(30.5°C-25.0°C)-(20.5°C-20.0°C)=5.0°C
De este modo, puede asegurarse de que los cambios de temperatura se calculan con precisión, mejorando así la exactitud de sus cargas térmicas.
Cálculo de errores: Después de la calibración, puede calcular el efecto de los errores de medición de la temperatura en el cálculo de la carga térmica. Por ejemplo, si un termopar tiene un error de medición de ±0,5°C, el error puede dar lugar a una desviación de ±5% para un cambio de temperatura de 10°C. Esto significa que el cálculo de la carga térmica también puede mostrar un error de ±5%. Por lo tanto, garantizar la precisión del termopar es fundamental para la fiabilidad de los resultados.
Cómo medir el caudal de líquido cuando no se dispone de caudalímetro
Cuando no se dispone de un caudalímetro, se puede utilizar un recipiente graduado y un temporizador para medir el caudal. Esto requiere que el caudal del fluido permanezca constante. Los datos de caudal pueden obtenerse recogiendo una muestra de fluido durante un periodo de tiempo fijo y calculando la relación entre el volumen de fluido y el tiempo. Para los cálculos, convierta el caudal volumétrico en un caudal másico basándose en la densidad del fluido.
Pasos posteriores al cálculo de la carga térmica
Una vez determinada la carga térmica, el siguiente paso consiste en seleccionar el equipo de refrigeración adecuado en función de la cantidad de frío necesaria para el sistema. Combinando los datos de carga térmica con los requisitos de diseño del sistema de refrigeración, puede trabajar con los ingenieros de trumonytechs para seleccionar o desarrollar el equipo más adecuado. solución de refrigeración líquida para garantizar un funcionamiento eficaz y estable del sistema.
Conclusión
Para los proveedores y fabricantes de equipos, conocer métodos precisos de cálculo de la carga térmica es fundamental para ofrecer soluciones de refrigeración eficientes y fiables. Garantizar datos y cálculos precisos mediante el uso de herramientas de medición adecuadas, como termopares y caudalímetros de turbina, puede ayudar a optimizar el diseño de los sistemas, mejorar el rendimiento de los equipos y reducir el consumo de energía. Si necesita más ayuda, no dude en contacte con nuestro equipo de ingeniería y le proporcionaremos asistencia técnica profesional.
