O cálculo da carga térmica é um passo crítico na conceção de qualquer equipamento industrial e sistema de refrigeração. Afecta diretamente a seleção do equipamento de refrigeração e a eficiência do funcionamento do sistema, e determina se o equipamento pode manter eficazmente as temperaturas de funcionamento em picos de carga. Quer a aplicação seja um sistema de arrefecimento por líquido, um sistema de arrefecimento por ar ou um sistema de permutador de calorUm cálculo exato da carga térmica garante um funcionamento estável do sistema a longo prazo e evita uma procura de arrefecimento excessiva ou insuficiente.
Para ajudar os fornecedores e fabricantes de equipamento a efetuar cálculos precisos da carga térmica, este artigo analisa em profundidade a forma como as cargas térmicas são determinadas, os principais factores que influenciam, as ferramentas de equipamento envolvidas no processo de cálculo e a forma de medir com precisão as temperaturas e os caudais. Ao dominar estes cálculos e medições, será capaz de fornecer aos seus clientes soluções de arrefecimento eficientes que garantem que o seu equipamento funciona de forma fiável sob uma variedade de cargas de trabalho. De seguida, vamos rever os conceitos básicos das cargas térmicas e os passos envolvidos no seu cálculo.
Índice
O que é uma carga térmica?
A carga térmica é a quantidade de calor que tem de ser removida de um sistema, normalmente proveniente de processos de conversão de energia no interior do sistema. É uma figura central na conceção de um sistema de refrigeração e afecta diretamente a especificação e configuração do equipamento de refrigeração selecionado. Quer a aplicação seja uma unidade de refrigeração (CDU), um refrigerador de recirculação ou um permutador de calor, o cálculo exato da carga térmica é fundamental para selecionar a solução de refrigeração correta. Só através de cálculos exactos da carga térmica é possível garantir que o sistema de arrefecimento funciona eficazmente sob várias cargas de trabalho, evitando o arrefecimento excessivo ou insuficiente e melhorando assim a eficiência e estabilidade globais do sistema.
Métodos básicos de cálculo da carga térmica
Estimativa aproximada: Para um sistema elétrico, o método de estimativa mais simples é assumir que toda a energia eléctrica de entrada será convertida em calor. De acordo com a primeira lei da termodinâmica, o calor produzido pelo sistema é igual à energia eléctrica consumida. Este método é adequado para aplicações simples sem fontes de calor ou cargas de sistema complexas.
Cálculos exactos: Um cálculo mais exato consiste em utilizar a equação de transferência de calor:
Q=mxCpΔT
Q = carga térmica (W ou BTU/hora)
m = Caudal mássico (kg/s ou lb/hr)
C_p = Calor específico (J/gK ou BTU/lb°F)
ΔT = variação de temperatura (°C ou °F)
Esta fórmula fornece dados mais exactos sobre a carga térmica, mas requer que o caudal mássico (m) e a variação de temperatura (ΔT) do fluido sejam obtidos experimentalmente e que o valor do calor específico do fluido (C_p) seja conhecido.
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Principais factores que afectam os cálculos da carga térmica
Tipo de sistema: Diferentes tipos de sistemas de arrefecimento têm diferentes requisitos de cálculo. Por exemplo, os sistemas de arrefecimento por líquido e por ar têm diferentes métodos de cálculo e requisitos de parâmetros. O arrefecimento por líquido requer normalmente medições exactas do caudal e da temperatura, enquanto o arrefecimento por ar pode centrar-se na eficiência da troca de calor.
Propriedades do fluido: O calor específico do fluido (C_p) é um parâmetro essencial para o cálculo da carga térmica. Diferentes tipos de fluidos (por exemplo, água, óleo ou líquidos especiais) têm diferentes capacidades de calor e, por conseguinte, diferentes valores de calor específico. É importante assegurar que são utilizados os dados adequados do fluido para garantir a exatidão do cálculo.
Variação da temperatura (ΔT): A variação de temperatura (ΔT) é um parâmetro central nos cálculos de carga térmica. As medições exactas da temperatura são fundamentais para garantir a exatidão dos cálculos. Os termopares são normalmente utilizados para medir a diferença de temperatura e devem ser colocados o mais próximo possível da área onde o fluido está a circular para melhorar a precisão da medição.
Caudal mássico (m): A medição exacta do caudal mássico (m) do fluido é outro fator crítico nos cálculos da carga térmica. Pode ser medido com elevada precisão utilizando um medidor de caudal de turbina ou, na ausência de um medidor de caudal, medindo o caudal através de um recipiente graduado e um temporizador. De qualquer forma, é muito importante manter o caudal constante.
Principais equipamentos e ferramentas
Termopar: Um termopar é um sensor de temperatura comummente utilizado, composto por dois metais diferentes que utilizam a diferença de temperatura entre eles para produzir uma tensão. Os requisitos de precisão comuns são ±0,2° F. Nos sistemas de arrefecimento, os termopares são frequentemente colocados na tubagem através da qual o fluido circula para garantir medições de temperatura precisas. Por exemplo, um termopar é utilizado num sistema de arrefecimento para medir a alteração de temperatura antes e depois de o fluido passar pelo sistema. Se o fluido entrar no sistema a 20°C e sair do sistema a 30°C, então o ΔT é de 10°C. Se o termopar tiver um erro de medição de ±0,5°C, então poderá ter um erro de medição de ±5%.
Medidores de caudal de turbina: Os caudalímetros de turbina medem com precisão o caudal mássico de um fluido com requisitos de precisão tipicamente de ±1%. Quando o sistema está a funcionar em carga máxima, um medidor de caudal de turbina pode fornecer dados consistentes e fiáveis para o ajudar a calcular com precisão a carga térmica.
Recipientes graduados e temporizadores: Se não estiver disponível um medidor de caudal, podem ser utilizados recipientes graduados e temporizadores para medir o caudal. Os dados de caudal podem ser obtidos recolhendo um volume de amostra de fluido a um caudal constante e calculando a relação entre o volume recolhido e o tempo. Este método exige um caudal constante, pelo que requer um sistema de controlo preciso para funcionar.
Calibração e precisão de medição de termopares
A exatidão dos termopares tem um impacto muito significativo nos cálculos da carga térmica. Um ligeiro erro de medição pode levar a desvios significativos nos resultados do cálculo. Por conseguinte, é crucial garantir a precisão e exatidão dos termopares. De seguida, apresentam-se vários métodos de calibração de termopares:
Calibração de termopares: Para garantir a exatidão, recomenda-se que os termopares sejam calibrados antes do ensaio. Ao calibrar, pode ser utilizada uma fonte de temperatura padrão (por exemplo, ponto de congelação ou de ebulição) para confirmar a exatidão do termopar. Se a calibração direta não for possível, é possível calibrar indiretamente dois termopares comparando as suas leituras. Suponha que tem dois termopares, um a ler 20,0°C e o outro a ler 20,5°C. Sem uma carga térmica, eles têm uma diferença de temperatura de 0,5°C. Se os colocar sob carga e verificar que indicam 25,0°C e 30,5°C, respetivamente, pode corrigir as medições calculando a variação real da temperatura:
ΔT=(30.5°C-25.0°C)-(20.5°C-20.0°C)=5.0°C
Desta forma, pode garantir que as alterações de temperatura são calculadas com exatidão, melhorando assim a precisão das suas cargas térmicas.
Cálculos de erros: Após a calibração, é possível calcular o efeito dos erros de medição da temperatura no cálculo da carga térmica. Por exemplo, se um termopar tiver um erro de medição de ±0,5°C, o erro pode resultar num desvio de ±5% para uma variação de temperatura de 10°C. Isto significa que o cálculo da carga térmica também pode apresentar um erro de ±5%. Por conseguinte, garantir a precisão do termopar é fundamental para a fiabilidade dos resultados.
Como medir o caudal de líquido quando não está disponível um medidor de caudal
Quando não está disponível um medidor de caudal, pode ser utilizado um recipiente graduado e um temporizador para medir o caudal. Isto requer que o caudal do fluido permaneça constante. Os dados de caudal podem ser obtidos recolhendo uma amostra de fluido durante um período de tempo fixo e calculando a relação entre o volume de fluido e o tempo. Para os cálculos, converter o caudal volumétrico num caudal mássico com base na densidade do fluido.
Etapas subsequentes ao cálculo da carga térmica
Uma vez determinada a carga térmica, o próximo passo é selecionar o equipamento de refrigeração adequado com base na quantidade de refrigeração necessária para o sistema. Combinando os dados da carga térmica com os requisitos do projeto do sistema de refrigeração, pode trabalhar com os engenheiros da trumonytechs para selecionar ou desenvolver o equipamento de refrigeração mais adequado. solução de arrefecimento líquido para garantir um funcionamento eficiente e estável do sistema.
Conclusão
Para os fornecedores e fabricantes de equipamento, compreender os métodos exactos de cálculo da carga térmica é fundamental para fornecer soluções de refrigeração eficientes e fiáveis. A garantia de dados e cálculos exactos através da utilização de ferramentas de medição adequadas, como termopares e medidores de caudal de turbina, pode ajudar a otimizar a conceção do sistema, melhorar o desempenho do equipamento e reduzir o consumo de energia. Para mais assistência, não hesite em contactar contactar a nossa equipa de engenharia e fornecer-lhe-emos um apoio técnico profissional.
