Download - CARGAS TERMICAS
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
Módulo: Climatización.
Integrantes:
Lalaleo Fernando
Chávez Carlos
Guananga Mauricio
Pilatagsi Jaime
Nivel:
Noveno ‘’A’’
Docente:
Ing. Gustavo Patín
Fecha de Entrega:
5/02/2015
1. Cálculo de la carga térmica.
“Para determinar la carga térmica que se debe extraer de la cámara para mantenerla a una
temperatura constante y, simultáneamente, realizar un control de suficiencia del aislamiento
elegido, se hacen las siguientes consideraciones”:(G. Pita, 2004)
El calor disipado a través de las paredes (infiltraciones) se calcula mediante la expresión:
( )
En la que
S es la superficie exterior en m
T2-T1 es la variación de la temperatura en C
t es el tiempo en horas.
U es el coeficiente global de transmisión de calor: en la que hay que
considerar todos los materiales que componen la pared de la cámara.
Figura 1 Carga térmica (Fuente(G. Pita, 2004))
Procedimientos para el diseño de Acondicionamiento de Aire.
1. Calcular las cargaras de calefacción y enfriamiento.
2. Seleccionar los tipos y ubicación de las unidades térmicas
3. Elegir el tipo de disposición de tuberías del sistema. Planificar la distribución a las
unidades térmicas.
4. Determinar los flujos y temperaturas del agua a través del sistema.
5. Seleccionar los tamaños de las unidades terminales
6. Determinar los tamaños de los tubos
7. Planear los trayectos de la tubería en la construcción y ubicar las válvulas.
8. Seleccionar la bomba
9. Seleccionar la caldera y/o enfriador
10. Seleccionar el tanque de compresión
11. Proporcionar y ubicar los accesorios necesarios para la correcta operación y
mantenimiento: ventilas de aire, desagües, uniones, dispositivos de expansión,
anclaje, soportes y aislamientos.
12. Seleccionar el sistema de control.
13. Preparar los planos y especificaciones definitivas.
Cargas térmicas de acondicionamiento
¨Las cargas térmicas se refieren a la cantidad de energía térmica por unidad de tiempo que
un lugar cerrado intercambia con el exterior debido a las diferencias de temperatura de los
mismos, considerando las condiciones exteriores como las más desfavorables. El cálculo
de estas cargas permite que los sistemas de acondicionamiento compensen estas
diferencias¨.(Fernandez, 2011)
Las cargas térmicas se deben a dos necesidades:
- Cargas de calefacción: se producen en condiciones de invierno, el calor producido
por los sistemas se pierde hacia el exterior
- Cargas de refrigeración: carga necesaria en estaciones cálidas (calor ganado por los
locales en unidad de tiempo)
1. Cálculo de cargas térmicas de calefacción (invierno)
Para estimar las necesidades de calefacción se toma en cuenta la existencia de dos
cargas térmicas:
- Carga térmica por transmisión de calor a través de los cerramientos hacia los locales
no climatizados, y,
- La carga térmica por enfriamiento de los locales por la ventilación e infiltración de
aire exterior en los mismos.
1.1 Carga térmica por transmisión
Se calcula de la siguiente manera:
( )
=carga térmica por transmisión [kcal/h]
=coeficiente de orientación de la pared
= coeficiente de intermitencia de la instalación
=coeficiente global de transmisión de calor del muro
=superficie de la pared expuesta a la diferencia de temperatura en
= Temperatura necesaria para el local acondicionado
= Temperatura en el exterior del local
=coeficiente de orientación de la pared
El factor Se utiliza para tener en cuenta la ausencia de radiación solar y la
presencia de vientos dominantes sobre los muros, en función de orientación, y
tienen los siguientes valores
- Norte: 1,15
- Sur: 1,00
- Este: 1,1
- Oeste: 1,05
= coeficiente de intermitencia de la instalación
Este es un coeficiente de seguridad, habitualmente se emplea el valor de 1.1
1.2 Carga térmica por ventilación o infiltración de aire exterior
La fórmula empleada para calcular este valor es:
( )
Dónde:
= Volumen del local
= Número de renovaciones horarias
= calor específico del aire en la base al volumen [
= Temperatura necesaria para el local acondicionado
= Temperatura en el exterior del local
El número de renovaciones horarias dependerá de la ventilación con la que se dote
el local, se recomienda como mínimo emplear una renovación por hora, los valores
habitualmente usados son:
-Cocinas y baños: 1,50
- Locales con puertas al exterior: 1,20
- Resto de los locales: 1,10(Fernandez, 2011)
2. Cálculo de cargas térmicas de refrigeración (verano)
Las cargas térmicas en esta época son sensibles y latentes, latentes ya que existe
mucha demanda de frio, esta se da debido a las diferencias de temperaturas y a la
radiación térmica y a las cargas latentes se producen por la aportación de humedad en
el aire.
2.1 Cargas sensibles
Estas cargas se pueden trasmitir a través de cerramientos opacos, ceramientos
traslucidos, radiación solar, por ventilación o infiltración de aire exterior, sensibles
por ocupación del local, generadas por iluminación del local, generadas por las
maquinas presentes en el local.
2.1.1 Cargas por trasmisión a través de cerramientos opacos
La carga sensible se calcula mediante la siguiente ecuación
Donde:
Q = Carga térmica por trasmisión en ( ⁄ )
K= coeficiente global de trasmisión de calor del muro en ( ⁄ )
S= superficie del muro expuesta a la diferencia de temperatura en ( )
DTE= diferencia de temperaturas
2.1.2 Cargas por trasmisión a través de cerramientos translucidos
¨En este tipo de lugar la radiación se cuantifica como una carga y este se obtiene
mediante la siguiente ecuación¨ (G. Pita, 2004)
Donde:
Q = Carga térmica por trasmisión en ( ⁄ )
K= coeficiente global de trasmisión de calor del muro en ( ⁄ )
S= superficie del muro expuesta a la diferencia de temperatura en ( )
= diferencia de temperaturas entre las caras exterior e interior
2.1.3 Cargas térmicas por radiación solar
¨La radiación solar es capaz de trasvasar las superficies ya sean transparentes o
translucidas, por lo que interviene en el interior de los locales produciendo un
calentamiento en los mismos incrementando de esta manera la temperatura en su
interior, su ecuación es¨: (Fernandez, 2011)
Donde:
Q = Carga térmica por radiación en ( ⁄ )
S= Superficie expuesta a radiación ( )
= Factor de corrección de radiación en función del tipo de vidrio, sombras,
entre otras.
2.1.4 Carga sensible por ventilación o infiltración de aire exterior
De obtiene mediante la siguiente ecuación
Donde:
Q = Carga térmica sensible por ventilación en ( ⁄ )
V= Caudal de aire de ventilación ( ⁄ )
0,29 es el calor específico del aire ( ⁄ )
= diferencia de temperaturas entre las caras exterior e interior
2.1.5 Carga sensible por ocupación del local
¨Esta carga se obtiene al multiplicar el valor de la carga sensible emitido por el
personal por el número de ocupantes del local¨ (Fernandez, 2011)
2.2 Cargas latentes
Este tipo de cargas se pueden trasmitir por ventilación o infiltración de aire exterior
y por ocupación del local.
2.2.1 Carga latente por ventilación o infiltración de aire exterior
Esta carga se determina mediante la siguiente fórmula:
Donde:
Q = Carga térmica latente por ventilación en ( ⁄ )
V= Caudal de aire de ventilación ( ⁄ )
0,72 es el resultado entre la densidad del aire y el calor latente
= diferencia de humedad absoluta entre al ambiente exterior e interior
(°C)
ELECCIÓN Y DIMENSIONADO DE TUBERÍAS EN UN EQUIPO DE
REFRIGERACIÓN
CÁLCULO Y DISEÑO DE LÍNEAS DE REFRIGERANTE
Al realizar el dimensionamiento de las líneas de refrigerante de equipos remotos, hay que
conocer entre los equipos de “sólo frío” y los equipos de “bomba de calor”, debido a las
especiales características de funcionamiento reversible para estos últimos.
Pero, en primer lugar, hay que tener en cuenta las características que deben cumplir las
líneas de gas (aspiración o descarga) y las líneas de líquido.(Fernandez, 2011)
LINEA DE ASPIRACION
Para el diseño de la línea de aspiración se debe tomar en cuenta la pérdida de presión del
gas refrigerante y el retorno del aceite al compresor.
- Pérdida de presión
Se produce como consecuencia del rozamiento del gas con las paredes del tubo y
provoca una disminución de la densidad del refrigerante y, por tanto, una reducción
de la capacidad del sistema. Para tener un rendimiento aceptable se debe seleccionar
una tubería que, para la longitud deseada, origina una caída de presión inferior a 3
psi ó 20 KPa.(Termoven, 2008)
- Retorno del aceite al compresor
El refrigerante siempre contiene alguna cantidad de aceite (entre el 1% y el 4% en
peso) circulando por el sistema, debido a su afinidad; pero en determinadas
condiciones de presión y temperatura, como pueden ser las que se encuentran en el
evaporador y la línea de aspiración, pueden dejar de ser miscibles. (Termoven,
2008)
Si el aceite no retornara al compresor, éste se iría quedando poco a poco sin
lubricación. Por eso es importante asegurar que sea arrastrado por el refrigerante,
para lo cual se necesitará una velocidad mínima de 6 m/s en los tramos ascendentes.
En los tramos descendentes u horizontales con pequeña inclinación no es tan
importante la velocidad, ya que la gravedad mantiene la circulación del aceite. Si las
líneas horizontales no tienen pendiente, deberán obtenerse velocidades de al menos
3 m/s.(Termoven, 2008)
LÍNEA DE DESCARGA
El tratamiento de la línea de descarga es similar al de la línea de aspiración, ya que por
ambas circula gas refrigerante. Para ello hay que considerar, igualmente, la pérdida de
presión del gas refrigerante y el retorno del aceite al compresor. (Termoven, 2008)
- Pérdida de presión
En las líneas de descarga no es tan crítica la caída de presión como en las de
aspiración, por lo que podrían aceptarse hasta 6 psi ó 40 kPa.
Sin embargo, desde el punto de vista del rendimiento frigorífico de la instalación, es
deseable la mínima pérdida posible, por lo que se limita, también en éste caso, a 3
psi.
- Retorno del aceite al compresor
La velocidad de circulación mínima para que el aceite retorne al compresor es la
misma que en la línea de aspiración: 6 m/s en tramos ascendentes y 3 m/s en tramos
horizontales y descendentes.(Termoven, 2008)
LINEA DE LÍQUIDO
La Línea de líquido presenta menos problemas en funcionamiento que las de aspiración o
descarga, ya que el aceite siempre circula por ella mezclado con el refrigerante,
independientemente de la velocidad.
En esta línea no es importante la velocidad, pero hay que tener en cuenta otros factores: el
subenfriamiento del líquido y el peso de la comuna de refrigerante.(Termoven, 2008)
- Subenfriamiento
Para el correcto funcionamiento de la válvula de expansión o tubo capilar, el líquido
refrigerante que llega a ellos no debe contener burbujas de gas. Para ello el
refrigerante debe tener al menos 1ºC de subenfriamiento a la entrada de la válvula o
tubo capilar. (G. Pita, 2004)
Debido a la caída de presión que se produce en la línea de líquido, éste llega al
sistema de expansión con una presión inferior a la de salida del condensador, lo que
puede llevar consigo la formación de gas. Para evitarlo, el líquido debe subenfriarse
unos 5 0C o más.
La pérdida de presión tiene lugar por el rozamiento por circulación en la línea, pero
también se produce, y en mayor proporción, debido a la diferencia de nivel entre los
extremos de la línea cuando ésta es ascendente.
Para una T de condensación de 50ºC, por ejemplo, hay una pérdida de
subenfriamiento de 1 0C cada 4,2m de subida aproximadamente. Por ello, cuando la
altura es superior a 15 m hay que subenfriar 10 por cada 3,5 m de exceso.
Este subenfriamiento puede conseguirse en los equipos de “sólo frío” embridando
las líneas de líquido y aspiración. La máxima longitud embridad se limita a 15 m,
por el sobrecalentamiento de la línea de aspiración.
En los equipos de “bomba de calor” no es factible dicha solución, debiéndose
recurrir a otros métodos, como pueden ser: introducir más carga de refrigerante en
la unidad o enfriar la línea de líquido.(Termoven, 2008)
- Peso de la columna de líquido
Cuando la línea de líquido es descendente el subenfriamiento está asegurado, ya que
en este caso, en vez de pérdida de presión, el peso de la comuna de refrigerante hace
que ésta sea mayor que la salida del condensador.
Aquí el problema que se presenta es evitar una excesiva sobrepresión en la entrada
del sistema de expansión. Para ello, si la altura de la línea de líquido es superior a
10, hay que colocar en la parte inferior un ecualizador de presión, que contrarreste
el peso de la comuna.(Termoven, 2008)
CONFIGURACIÓN POSIBLES
Dependiendo del tipo de equipo “sólo frío” o “bomba de calor” y de la disposición relativa
de las unidades interior y exterior, existen distintas configuraciones posibles, que
presentarán características particulares. (Ingemecánica, 2010)
Equipos “sólo frío”
En estos equipos la unidad interior funciona siempre como evaporadora y la unidad exterior
como condensadora.
De los tres casos posibles, la situación más desfavorable es la representada en la figura A,
donde la línea de aspiración es ascendente y por tanto la velocidad del gas debe ser mayor
de 6 m/s, necesitando además los correspondientes sifones. En la línea de líquido deberán
adoptarse las medidas oportunas para compensar el peso de la comuna, si es necesario.
En el caso de la figura B, la aspiración no presenta problemas pro ser descendente, y en la
línea de líquido habrá que vigilar el subenfriamiento.
La situación de la figura C no tiene ninguno de los problemas mencionados, pro ser ambas
líneas horizontales.
En determinadas circunstancias, el compresor no está en la unidad condensadora, sino en la
unidad evaporadora (motoevaporadora), y esto implica que la línea de gas es de descarga,
ya que la línea de aspiración está en el interior de dicha unidad.(Termoven, 2008)
Equipos “bomba de calor”
En estos equipos, tanto la unidad interior como la unidad exterior funcionan unas veces
como evaporadora y otras como condensadora, dependiendo del ciclo de funcionamiento
(frío o calor).
Debido a esta circunstancia, la línea de gas es, al mismo tiempo, de aspiración en un ciclo
de funcionamiento y de descarga en el otro ciclo. De la misma forma, la línea de líquido es
ascendente en un ciclo y descendente en el otro. (Fernandez, 2011)
Existen, igualmente, tres configuraciones posibles, representadas en las figuras D, E y F.
En la figura D en que la unidad exterior está por encima de la interior, la línea de aspiración
es ascendente y la línea de descarga es descendente.
Por el contrario, en el caso de que la unidad exterior esté por debajo de la interior (figura
E), es la líneas de descarga la ascendente y será esta la que hay que dimensionar
consiguiendo una velocidad mayor de 6 m/s y con los correspondientes sifones. La línea de
aspiración no tendrá problemas al ser descendente.
En la figura F, con las unidades al mismo nivel, no es necesario considerarlo, ya que no
aparece ninguno de los problemas descritos. Las líneas se dimensionan sólo teniendo en
cuenta la pérdida de presión.(Termoven, 2008)
Bibliografía
Termoven. (2008). Recuperado el 25 de 01 de 2015, de Termoven:
http://s344941351.mialojamiento.es/Catalogos/Sp/CalculoDisenoLineas.pdf
Ingemecánica. (2010). Recuperado el 25 de 01 de 2015, de Guía para el cálculo de cargas
térmicas: http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn255.html
Fernandez, D. (2011). Ingenieros industriales.com. Recuperado el 25 de 01 de 2015, de
Cálculo de cargas térmicas:
file:///C:/Users/BIBLIO~1/AppData/Local/Temp/calculo_carga_termica.pdf
G. Pita, E. (2004). Acondicionamiento de Aire: Principios y sistemas. México: CECSA.