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T.2.1.4.- Cargas Térmicas de Refrigeración

1


Tecnología Energética (G.I.T.I.)

Departamento:

Area:

Ingeniería Eléctrica y Energética

Máquinas y Motores Térmicos

CARLOS J RENEDO [email protected]

Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28

http://personales.unican.es/renedoc/index.htm

Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82

Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. Noson apuntes de la asignatura. Al alumno le pueden servir como guía pararecopilar información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes


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1.- Introducción

2.- Espacios Refrigerados

3.- Transmisión de Calor

4.- Cargas Térmicas

5.- Aislantes

6.- Ejemplos de Cálculo


3

CAMPOS DE UTILIZACIÓN

DEL FRÍO

• Productos perecederos

• Climatización

• Baja temperatura

• Aplicaciones industriales

• Pequeñas máquinas domésticas• Refrigeración• Congelación• Almacenamiento• Transporte• Instalaciones Industriales (cerveza, leche…)

• De “confort”• Climas industriales

• Superconductividad• Criogenia• Metalurgia• Biomédicas• Liofilización (también en otros usos)• Usos clínicos

• Industria Química• Construcción (Fraguado)• Fábricas hielo• Pistas patinaje

1.- Introducción (I)


4

Métodos de cálculo de cargas térmicas:

• Cargas instantáneas

• Funciones de transferencia

• Métodos numéricos

En el caso de las cargas térmicas de refrigeración el proceso es bastantemás sencillo.

Para equipos de pequeñas dimensiones basta normalmente la utilización detablas. Sin embargo, para la utilización de tablas se han de conocer losfundamentos teóricos.

1.- Introducción (II)


5

Requisitos que deben cumplir los espacios refrigerados:

• Aislamiento frente a la transmisión de calor

• Barrera de vapor contra la humedad – Sellado de juntas

• Puertas de acceso de dimensiones adecuadas, y herméticas

• Protección frente a focos de calor (pinturas, revestimientos…)

2.- Espacios Refrigerados (I)


6

Aislamiento frente a la transmisión de calor

Un buen aislante debe satisfacer ciertos requisitos:

• Resistencia máxima al flujo de calor

• Estabilidad: no se debe pudrir

• No debe ser inflamable

• No debe absorber humedad, ya que puede perder sus propiedades

• Debe ser a prueba de roedores e insectos

• Debe ser manejable y fácil de instalar

• Debe tener un precio razonable

• De fácil disposición

2.- Espacios Refrigerados (II)


7

Barrera de vapor frente a la humedad

La mayor parte de los aislantes térmicos pierden sus característicasaislantes por la presencia de humedad en su interior

El agua acumulada puede apelmazar el aislante y hacer que éste pierdaparte de sus propiedades (desplaza el aire)

Si el agua se llega a congelar, puede destruir las paredes del espaciorefrigerado al dilatarse

Es habitual sellar la pared exterior, dejando juntas en la pared interior paraevacuar la humedad, que se convertirá en escarcha en el evaporador

2.- Espacios Refrigerados (III)


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Barrera de vapor frente a la humedad

La mayor parte de los aislantes térmicos pierden sus característicasaislantes por la presencia de humedad en su interior

El agua acumulada puede apelmazar el aislante y hacer que éste pierdaparte de sus propiedades (desplaza el aire)

Si el agua se llega a congelar, puede destruir las paredes del espaciorefrigerado al dilatarse

Es habitual sellar la pared exterior, dejando juntas en la pared interior paraevacuar la humedad, que se convertirá en escarcha en el evaporador

2.- Espacios Refrigerados (III)

La humedad condensa si la T superficial es inferior a la de rocío del aire


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2.- Espacios Refrigerados (IV)

Puertas de acceso

Deben asegurar la continuidad del aislante. Por ello, a veces su peso esexcesivo y necesitan sólidos sistemas de anclaje

Otros casos, como las vitrinas expositoras, no se deben empañar

El cristal es un aislante pobre, por lo que la solución pasa por varias capascon cámara de aire, nitrógeno, argón u otros gases nobles

Protección contra la congelación del sistema de apertura


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2.- Espacios Refrigerados (IV)

Puertas de acceso

Deben asegurar la continuidad del aislante. Por ello, a veces su peso esexcesivo y necesitan sólidos sistemas de anclaje

Otros casos, como las vitrinas expositoras, no se deben empañar

El cristal es un aislante pobre, por lo que la solución pasa por varias capascon cámara de aire, nitrógeno, argón u otros gases nobles

Protección contra la congelación del sistema de apertura


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2.- Espacios Refrigerados (V)

Protección frente a focos de calor

Por puro sentido común, no se debe situar maquinaria productora de calorcerca de los espacios refrigerados (calderas, etc.)

Si es posible, evitar el emplazamiento con el exterior expuesto al sol

Si no es posible, provocar sombras, pintar la superficie de color blanco orevestirla de aluminio


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2.- Espacios Refrigerados (VI)

Temperatura y tiempo de almacenamiento

Producto T (ºC) HR (%) Tiempo

Carne de vaca grasa -0,5 a 0,5 80 a 85 15 días

Carne de vaca magra 0 a 0,5 80 a 85 15 días

Carne de cerdo -2 a -1 80 a 85 15 días

Carne congelada -15 a -18 85 a 90 10 meses

Pescado en hielo 0 a -1 100 5 a 10 días

Pescado graso congelado -23 a - 28 90 a 95 8 meses

Pescado no graso congelado -20 90 a 95 12 meses

Aves frescas -1 a 5 80 a 85 8 días

Aves congeladas -15 a -18 85 a 90 10 meses

Huevos -0,5 a 0,5 75 a 85 9 meses


13













Huevos -0,5 a 0,5 75 a 85 9 meses


Leche 0 a 2 - -

Leche en polvo 0 a 2 70 a 75 2 meses

Mantequilla -1 a 14 75 a 80 6 meses

Mantequilla -10 a -14 80 a 85 12 meses

Queso blando 2 a 4 80 a 85 6 meses

Patatas 3 a 6 80 a 90 9 meses

Tomates verdes 5 a 10 85 a 90 4 semanas

Tomates maduros 0 a 1 80 a 90 2 semanas

Manzana -1 a 3 90 a 95 10 meses

Naranja 5 a 7 70 a 75 12 meses


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Huevos -0,5 a 0,5 75 a 85 9 meses


Leche 0 a 2 - -

Leche en polvo 0 a 2 70 a 75 2 meses

Mantequilla -1 a 14 75 a 80 6 meses

Mantequilla -10 a -14 80 a 85 12 meses

Queso blando 2 a 4 80 a 85 6 meses

Patatas 3 a 6 80 a 90 9 meses

Tomates verdes 5 a 10 85 a 90 4 semanas

Tomates maduros 0 a 1 80 a 90 2 semanas

Manzana -1 a 3 90 a 95 10 meses

Naranja 5 a 7 70 a 75 12 meses

Producto

Flores

Pan

Pasteles

Vino

Pieles

Cadáveres

Libros

Munición

…


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3.- Transmisión de Calor (I)

Para la transmisión de calor es necesario diferencia de T, transmitiéndose elcalor de los cuerpos de mayor T a los de menor

La Termodinámica estudia los procesos de transferencia de energía ensistemas en equilibrio

La Transmisión de Calor complementa los principios de la Termodinámica,de manera que se puedan determinar aspectos tales como:

– Velocidad de la transferencia de calor

– Estados intermedios

Los mecanismos de transmisión de calor: Conducción, en el interior de los cuerpos Convección, entre sólidos y fluidos Radiación, a través de un fluido, o el vacío


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CONDUCCION: en el interior de los sólidos

Conductividad térmica, (W / m ºC), (tablas)es función de la temperatura del material

Material (W / m ºC) Material (W / m ºC)

AluminioCartón

CementoCobre

2040,14-0,35

1386

CorchoGranito

Hormigón (seco)Ladrillo

0,043

0,1280,3-5

Cobre (W / m ºC)

200 K

273 K

400 K

413

401

392

Conductores ( ↑)Aislantes térmicos ( ↓)

Casos típicos de conducción térmica (I)

1.- Para una pared de conductividad térmica

La resistencia de conducción de la pared Rk = / A

kR

petpit

A

petpit

petpitA

P

3.- Transmisión de Calor (II)


17

2.- Para una pared plana recubierta de un aislante de conductividad ´

pet´pt´

A´´ptpit

AP

A´

´

A

petpit

´kR

pet´pt

kR

´ptpit

3.- Para dos paredes en paralelo de áreas A1 y A2 de material diferente, deigual espesor, , cada una de ellas con conductividad térmica, 1, 2

Siendo Rk la resistencia térmica equivalente de las dos paredes

kRpetpit

kRpetpit

kRpetpit

PPP

21

21

21 kR

1

kR

1

kR

1

Casos típicos de conducción térmica (II)

A´

´pet´pt

A

´ptpit

´kRkR

petpit

3.- Transmisión de Calor (III)


18

L2

)ir/er(Lnpetpit

)ir/er(Lnpetpit

L2

Casos típicos de conducción térmica (III)

P

4.- Para una tubería cilíndrica de conductividad térmica

La resistencia de conducción del tubo

5.- Tubería cilíndrica rodeada de una vaina aislante de conductividad ´,

L2

)ir/er(Ln´ptpit

´kRpet´pt

kR´ptpit

L´2

)ir/er(Lnpet´pt

L2

)ir/er(LnkTuboR

kRpetpit

´kRkRpetpit

)´r/er(Ln

pet´ptL´2

)ir/´r(Ln´ptpit

L2P

3.- Transmisión de Calor (IV)


19

CONVECCION: entre sólidos y fluidos

Coeficiente de transmisión de calor sólido-fluido o coeficiente deconvección, (W / m2 ºC); es variable con geometría del sólido, laorientación, la naturaleza del fluido y del tipo de convección

Existen dos tipos de convección:

Forzada; el fluido en movimiento, una bomba, un ventilador, viento,corriente de agua, etc; elevado

Natural, el fluido está en reposo, bajo

Dos tipos de fluidos:

Gases tienen un bajo Líquidos poseen un elevado

Evaporaciones y condensaciones, más elevado

3.- Transmisión de Calor (V)


20

La transmisión de calor para una paredo una tubería rodeada por un fluido

Pudiéndose expresar el calor transmitido en función de la resistencia de convección (Rc) entre el sólido y el fluido:

Entre una superficie y un fluido, para aumentar la transmisión de calor

• Pasar de conv. natural a forzada,incrementando el coeficiente

• Si el fluido es gas, se colocan aletas

cRftpt

A

1ftpt

ftptAP

(batería)

A

1cR

3.- Transmisión de Calor (VI)


21

cRftpt

A

1ftpt

ftptAP

La transmisión de calor para una paredo una tubería rodeada por un fluido

Pudiéndose expresar el calor transmitido en función de la resistencia de convección (Rc) entre el sólido y el fluido:

Entre una superficie y un fluido, para aumentar la transmisión de calor

• Pasar de conv. natural a forzada,incrementando el coeficiente

• Si el fluido es gas, se colocan aletas

(batería)

3.- Transmisión de Calor (VI)

A

1cR

Tipo de convección (W/m2ºC)

Natural para aire 5 a 25

Natural para agua 20 a 100

Forzada para aire 10 a 200

Forzada para agua 50 a 10.000


22

Dificultad en calcular , para ello existe formulación de carácter experimental.

Correlaciones de ASHRAE convección natural aire:

Superficies cilíndricas de diámetro exterior D(Si D < 0,1 m se toma D = 0,1 m)

Posición vertical:

Posición horizontal:

Superficies planas;(Si L ó H < 0,1 m se toma L ó H = 0,1 m)

Vert, altura H:

Hor. anchura L: Calor hacia abajo:

Calor hacia arriba:

25,0

Dt42,1

25,0

Dt32,1

25,0

Lt59,0

25,0

Lt32,1

25,0

Ht42,1

¿Unidades?

3.- Transmisión de Calor (VII)


23

Otras Correlaciones empleadas (I):

3.- Transmisión de Calor (VIII)

Aire en reposo, pared lisa y flujo de calor hacia arriba:

Aire en reposo, pared lisa y flujo de calor hacia abajo:

Aire en reposo, tubo liso vertical (∆T > 10 K):

Aire en reposo, tubo liso horizontal (ɸ = D y L> 0.3 m):

Km

WD

t31,12

25,0

Km

Wt56,2

225,0

Km

Wt5,2

225,0

Km

Wt31,1

225,0

Aire forzado, pared lisa (v < 5 m/s):

Aire forzado, pared lisa (v > 5 m/s):

Km

Wv46,5

2

Km

Wv12,7

278,0


24

Otras Correlaciones empleadas (II):

3.- Transmisión de Calor (IX)

Aire forzado, pared rugosa (v < 5 m/s):

Aire forzado, pared rugosa (v > 5 m/s):

Aire forzado, pared muy rugosa (v < 5 m/s):

Aire forzado, pared muy rugosa (v > 5 m/s):

Agua convección forzada (velocidad v):

Km

Wv48,5

2

Km

Wv14,7

278,0

Km

Wv42,6

2

Km

Wv52,7

278,0

Km

Wv100.2350

2


25

3.- Transmisión de Calor (X)

PosiciónSeparación con

local exteriorSeparación con

local interior

0,17 0,22

0,14 0,18

0,22 0,34

Q

Q

Q

inth

1

Cºmh

kcalvbah

2n

V < 5 m/s

Superficie a b n

Pulida 4,83 3,3 1

Rugosa 5,32 3,7 1

V > 5 m/s

Superficie a b n

Pulida 0 6,17 0,78

Rugosa 0 6,54 0,78

W

Cºm

h

1 2

exth

1


26

Muro exterior RSE RSI

0,04 0,13

0,04 0,10

0,04 0,17

Q

Q

Q

Muro interior RSE RSI

0,13 0,13

0,10 0,10

0,17 0,17

Q

Q

Q

3.- Transmisión de Calor (XI)

W

Cºm

h

1

h

1R

2

extint


27

W

Cºm2

Cámara de Aire

(a 10ºC)

Espesor

(mm)

No Ventilada

5 0,11 0,11 0,11

10 0,15 0,15 0,15

15 0,16 0,17 0,17

25 0,16 0,18 0,19

50 0,16 0,18 0,21

100 0,16 0,18 0,22

QQ

Q

3.- Transmisión de Calor (XII)


28

W

Cºm2

Cámara de Aire

(a 10ºC)

Espesor

(mm)

No Ventilada

5 0,11 0,11 0,11

10 0,15 0,15 0,15

15 0,16 0,17 0,17

25 0,16 0,18 0,19

50 0,16 0,18 0,21

100 0,16 0,18 0,22

QQ

Q

3.- Transmisión de Calor (XII)

Ligeramente Ventilada

5 0,05 0,05 0,05

10 0,07 0,07 0,07

15 0,08 0,08 0,08

25 0,08 0,09 0,09

50 0,08 0,09 0,10

100 0,08 0,09 0,11


29

3.- Transmisión de Calor (XIII)


30

RADIACION: transmite el calor incluso en el vacío

La cantidad de calor que abandona un cuerpo:

σ = 5,67 10-8 (W / m2 K4) emisividad superficial, depende del colorT en K

411poremitido tAP

Cuerpo negro: radiador perfecto, =1

Cuerpo gris, 0 < < 1

Material Acero oxidado Acero inox. oxidado Aluminio oxidado Plomo áspero Agua Hielo Nieve

Emisividad 0,05 0,55 0,26 0,43 0,95 0,97 0,88

Material Acero pulido Acero inox. pulido Aluminio pulido Plomo pulido Ladrillo Tierra Madera

Emisividad 0,11 0,23 0,05 0,07 0,94 0,9 0,92

3.- Transmisión de Calor (XIV)


31

1R

La energía recibida puede ser:– Absorbida (α), en equilibrio es igual a – Reflejada (R )– Trasmitida (ζ), [en los cuerpos opacos es nula]

Factor de forma F marca la posición relativa de los cuerpos

F1-2 engloba 1, 2 , y la forma geométrica y su posición de los cuerpos

F1-2 en gráficos

42

412112poradoeintercept1poremitido ttFAP

3.- Transmisión de Calor (XV)


32

2A1AF

2A1AF

D/h

D/L

b/a

b/c

b

c

a

2A

1A

h2A1A

DL

…

F1-2 en gráficos en función de la geometría de las superficies

3.- Transmisión de Calor (XVI)


33

Coeficiente superficial de radiación (r)

De esta forma: 211r2a1 ttAP

FA1A2 en el interior de locales (20 a 30 m2, 2,5 a 3 m de altura)Techo-Suelo y 0,4

Techo-Pared y 0,15

3.- Transmisión de Calor (XVII)


34

Normalmente existe una combinación de conducción, convección y radiación

Alguno de los mecanismos puede ser despreciable

Para una pared plana que separa dos fluidos (radiación despreciable).

ceRkRciRfetfit

ceRfetfit

kRpetpit

ciRpitfit

P

Para aire acondicionado los efectos de la convección y los de la radiación deforma conjunta, la norma ISO

Para tuberías horizontales (0,25 < D < 1 m):

Para tuberías y paredes verticales:¿Unidades?

t05,0A

t09,0B

Superficie A B

Aluminio brillante 2,5 2,7

Acero galvanizado sucio 5,3 5,5

3.- Transmisión de Calor (XVIII)


35

;Cºm

Whhh

2radcon

3.- Transmisión de Calor (XIX)

Q

Longitud de la pared en la dirección del viento 6 m

hext hint

Flujo del aire a la pared Flujo de la pared al aire

Text (ºC) Tint (ºC)

Vviento (m/s) 20 35 50 -20 -5 10

Q = 9,28 W/m2

Er = 0,9

0,1

1

5

10

5,6

6,7

20,2

31,3

6,43

7,51

20,5

31,3

7,35

8,44

21,1

31,6

3,87

7,84

19,6

31,7

4,49

5,58

19,7

31,4

5,18

6,27

20

31,3

Q = 9,28 W/m2

Er = 0,8

0,1

1

5

10

5,03

6,13

19,6

30,7

5,77

6,85

19,8

30,6

6,59

7,68

20,3

30,8

3,5

7,47

19,3

31,4

4,05

5,14

19,3

31

4,67

5,76

19,5

30,8

QQ

Cºm

Whhh

2radiaciónconvección

Tablas similares paraotras situaciones


36

El coeficiente global de transmisión de calor, K, es el inverso de la suma deresistencias térmicas considerando un área de transmisión unidad:

R engloba todas las resistencias térmicas existentes.(series y paralelo)

Cuando se trata de un tubo, hay que hacer referencia si K está referido alárea interior (Ki) o al área exterior del tubo (Ke)

El calor transmitido queda en forma más simplificada:

Se puede hablar de la K de un edificio (los cerramientos ponderados por su área)

R

1K

tAKP

3.- Transmisión de Calor (XX)


37

Dificulta la transmisión de calor

La resistencia de contacto es por la mala unión de dos superficies sólidas

Hay que minimizar y eliminar las causas (filtración y tratamiento del agua)

La oxidación y la corrosión son un problema que hay que evitar eliminandomateriales que tiendan a provocarlas

Con el tiempo se depositasuciedad (incrustaciones)sobre las superficies, esto esun aislante térmico y dificultala transferencia de calor

Su valor se determina conensayos

3.- Transmisión de Calor (XXI)


38

Dificulta la transmisión de calor

La resistencia de contacto es por la mala unión de dos superficies sólidas

Hay que minimizar y eliminar las causas (filtración y tratamiento del agua)

La oxidación y la corrosión son un problema que hay que evitar eliminandomateriales que tiendan a provocarlas

Con el tiempo se depositasuciedad (incrustaciones)sobre las superficies, esto esun aislante térmico y dificultala transferencia de calor

Su valor se determina conensayos

3.- Transmisión de Calor (XXII)

El factor de incrustación para condensadoresde tubos refrigerados por agua

Fluidos halogenados

Amoniaco

]kW/Km[086,0h

1 2

in

]kW/Km[172,0h

1 2

in


39

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Transferir calor entre dos fluidos, con separación física por medio de unapared intermedia, o una masa acumuladora

Fluido primario el caliente 1, y fluido secundario el frío 2

El parámetro principal es el calor intercambiado o potencia térmica delintercambiador, PT; se corresponde con el calor que cede el fluido caliente

Se llama fluido monofásico, contiene sólo una fase, fluido bifásico el quecontiene materia y gaseosa

3.- Transmisión de Calor (XXIII)


40

A partir de este punto es imposible realizarmás intercambio térmico, t11 = t22

Teóricamente la temperatura de salida de un fluido puedeigualar con la de entrada del otro, t11 = t22 y/o t12 = t21

Temperaturas características, limitan la posibilidad de intercambio térmico:

– La temperatura de entrada del fluido caliente, t11 en ºC– La temperatura de salida del fluido caliente, t12 en ºC – La temperatura de entrada del fluido frío, t21 en ºC– La temperatura de salida del fluido frío, t22 en ºC

Flujos paralelos o en equicorriente; y contracorriente

3.- Transmisión de Calor (XXIV)


41

Caudales caliente y frío, q1 y q2 en m3/s

Masas caliente y fría, m1 y m2 en kg/s

La densidad de los fluidos, 1 y 2 en kg/m3

El calor específico de los fluidos caliente y frío, cp1 y cp2 en W/kg ºC

La capacidad calorífica de los fluidos caliente y frío, C1 y C2 en W/ºC, es elproducto de masas por el calor específico

La transferencia de calor por unidad de tiempo se utilizan las expresiones:(sin pérdidas térmicas)

tAk)tt(cq)tt(cqP 21222p2m12111p1mT

t la diferencia de T entre el fluido caliente y el frío a lo largo de la pared

Pérdida de presión

3.- Transmisión de Calor (XXV)


42

Tipos básicos de intercambiadores de calor (I)

Norma UNE-EN 247Medios que intercambian

– Líquidos– Gases (gran superficie, aletas, turbuladores)– Líquido – Gas (aletas, turbuladores)

Disposición de la transferencia de calor– Transferencia directa– Con acumulación o regeneración (masa acumuladora)– Lecho fluidizado

3.- Transmisión de Calor (XXVI)


43

Tipos básicos de intercambiadores de calor (II)

Método de transferencia de calor– Radiación– Convección– Mixto

Tipo de fluidos– Monofásicos– Bifásicos– Monofásico-bifásico–Con fluido intermedio

Posibilidades de limpieza

Posibilidad de dilatación

3.- Transmisión de Calor (XXVII)


44

Tipos básicos de intercambiadores de calor (III)

Tipo de diseño– Carcasa y tubo– Placas– Flujo cruzado

Intercambiador de placasLas placas (no son planas) CavidadesCavidades alternadas por fluido caliente y fríoFlujo cruzadoModulares y desmontables

(si no son soldadas)Alta eficienciaSerie o paralelo

3.- Transmisión de Calor (XXVIII)


45

Tipos básicos de intercambiadores de calor (IV)

Intercambiador de carcasa y tubos (I)

Normas TEMA (TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION)

Tubo dentro de otro tubo (curvado, enrollado) (1-1)

Equi o contracorriente

No apto para grades caudales

– Tubos concéntricos

– Haces de tubos

3.- Transmisión de Calor (XXIX)


46

Para incrementar la transmisión de calor:

– Lado de la carcasa: pantallas deflectoras, aumentar Nº pasos

Tipos básicos de intercambiadores de calor (V)

Intercambiador de carcasa y tubos (II)

3.- Transmisión de Calor (XXX)


47

Para incrementar la transmisión de calor:

– Lado de los tubos; incrementar el nº de pasos

Tipos básicos de intercambiadores de calor (VI)

Intercambiador de carcasa y tubos (III)

3.- Transmisión de Calor (XXXI)

Equi o contracoriente


48

Tipos básicos de intercambiadores de calor (VIII)

Intercambiador de flujos cruzados

Típico en líquido, condensador o evaporador, y gas

hc depende de la forma de la aleta (lisa, ondulada, …)

Se aproxima por la de la batería de tubos liso

3.- Transmisión de Calor (XXXII)


49

La diferencia de T a lo largo de la pared, t, es variable, se llama LMTD

o

i

oi

t

tLn

ttt la diferencia de T de ambos fluidos a

la entrada y salida del fluido caliente

LMTDAkPT

t11

t12

t21t22

Cálculos con intercambiadores (I)

ti = t11 - t22 [eq. t21]to = t12 - t21 [eq. t21]

3.- Transmisión de Calor (XXXIII)


50

Cálculos con intercambiadores (II)

LMTDAkPT LMTDFAkPT Geometría compleja

2211

2122

tt

ttP

2122

1211

tt

ttZ

3.- Transmisión de Calor (XXXIV)


51

Cuando se conoce es la descripción física del intercambiador y t11 y t21 sepuede hacer uso del concepto de eficacia térmica del intercambiador, t

tranferirdeposiblemáximatérmicapotencia

adorintercambieleniatranferenctérmicapotenciat

)tt()cq(

)tt(cq

)tt()cq(

)tt(cq

2111mínpm

21222p2m

2111mínpm

12111p1mt

mínmínpm C

Ak

)cq(

AkNTU

máx

min

C

C1NTU

T

C

C1

e1η

máx

mín

máx

mín

máx

mín

C

C1NTU

máx

min

C

C1NTU

T

eC

C1

e1ηContracorrienteEquicorriente

)t(t)c(qP)t(tcq)t(tcqP 2111mínpmmáx2122p2m21211p1m1T

Cálculos con intercambiadores (III)

3.- Transmisión de Calor (XXXV)


52

máx

min

C

C1NTU

T

C

C1

e1 máx

mín

máx

mín

máx

mín

C

C1NTU

máx

min

C

C1NTU

T

eC

C1

e1ContracorrienteEquicorriente

mínmínpm C

Ak

)cq(

AkNTU

max

mín

C

C

max

mín

C

C

Cálculos con intercambiadores (IV)

3.- Transmisión de Calor (XXXVI)


53

Intercambiadores Rotativos (I)

3.- Transmisión de Calor (XXXVII)

INVIERNO


54

Intercambiadores Rotativos (II)

3.- Transmisión de Calor (XXXVIII)

siendo N el número de rpm

siendo CC la eficacia de un intercambiador en contracorriente

pMMM c M N C

Ah

1

Ah

1

AU

1

FC

2

AhAU

93,1minM

CCC/C9

11

(normalmente 1) max

min

CenAh

CenAh*Ah


55

4.- Cargas Térmicas (I)

CARGA TÉRMICA

Cargas Exteriores

Cargas Interiores

- A través de las paredes/techo/suelo

- A través de superficies acristaladas

- Por infiltración de aire exterior por las puertas

- Por entradas de aire exterior por las puertas

- Por renovación de aire

- Por el producto a refrigerar/congelar

- Por cualquier equipo productor de calor

- Por iluminación

- Por personas

- Otras cargas


56

Cargas Interiores por el Producto (I)

ac0Tncongelacióci0T TTcTTcmQ

4.- Cargas Térmicas (II)

Como es natural, la carga debida al producto depende de:

• Las condiciones en las que éste entre al espacio refrigerado (Ti)

• El calor específico en refrigeración (T > 0ºC), cT>o

• El calor latente (de congelación, T = 0ºC), lcong

• El calor específico en congelación (T < 0ºC), cT<o

Tablas


57

ac0Tncongelacióci0T TT'cTTcmQ







Tablas

PRODUCTO T. [ºC] H. REL. [%] DURACIÓN

Ternera fresca 0 ÷ +1 85 ÷ 90 5 ÷ 10 días

Ave fresca 0 85 ÷ 90 1 semana

Lechuga 0 95 2 ÷ 3 semanas

Tomate verde 13 ÷ 21 85 ÷ 90 1 ÷ 3 semanas

Alcachofa 0 ÷ -1 90 ÷ 95 1 ÷ 2 semanas

Cebolla 0 65 ÷ 70 1 ÷ 8 meses

Manzana -1 ÷ -3 90 1 ÷ 6 meses

Limón 14 ÷ 16 86 ÷ 88 1 ÷ 6 meses

Mantequilla fresca 0 ÷ 4 80 ÷ 85 2 meses



58

ac0Tncongelacióci0T TT'cTTcmQ







Tablas

PRODUCTO“cp” antes

congelación [kJ/kgºC]

“cp” después congelación

[kJ/kgºC]

Calor latente congelación

[kJ/kg]

Aves/Pájaros 3,56 1,97 242,78

Salmón 3,26 1,93 213,48

Lenguado 3,56 1,67 251,15

Truchas 3,56 1,67 251,15

Arenque 3,14 1,93 192,55

Huevos 3,18 1,67 234,40

Leche 3,93 1,97 297,19

Frutas en general 0,91 0,48 313,94 ÷ 368,35

Espárrago 0,96 0,50 313,94

Zanahoria, col, espinaca,judías verdes, champiñón

0,94 0,49 301,38



59








Tablas

En algunos casos, como primera aproximación se puede suponer que el producto es agua (p.ej. el 95% de un tomate es agua)

• Calor específico del agua: 4,18 kJ/kg/ºC

• Calor específico del hielo: 2,09 kJ/kg/ºC

• Calor latente de fusión: 335 kJ/kg¡Ojo con frutos secos!



60








Tablas

En algunos casos, como primera aproximación se puede suponer que el producto es agua (p.ej. el 95% de un tomate es agua)

• Calor específico del agua: 4,18 kJ/kg/ºC

• Calor específico del hielo: 2,09 kJ/kg/ºC

• Calor latente de fusión: 335 kJ/kg¡Ojo con frutos secos!


% Agua % Sólido

Fresas 90 10

Leche 88 12

Naranjas 84 16

Langosta 77 23

Aves 74 26

Pescado fresco 67 33

Ternera 63 37

Pan 37 63

Mantequilla 15 85

Harina 13 87

Nueces 7 93

Chocolate 1,6 98,4


61

4.- Cargas Térmicas (III)

Hay que tener en cuenta los kg de productoalmacenado, y los del envoltorio

Material% peso delenvoltorio

Genérico 10 ÷ 30

Vegetales (cajas de madera) 8 ÷ 16

Huevos frescos (cartones con alvéolos) 15 ÷ 20

Mantequilla congelada (cajas) 5

Carnes frescas 0

Productos congelados en general ≈ 0

Palets 4 ÷ 5

Cargas Interiores por el Producto (II)


62

4.- Cargas Térmicas (IV)

Hay productos que respiran (frutas, hortalizas, fermentaciones, …):

• Desprenden calor

• Necesitan aire de renovación

Cargas Interiores por el Producto (III)

Producto T (ºC)CO2

(mg/kg h)

Calor

(kcal/tm 24h)

Manzanas

Naranjas

Plátanos

Peras

Judías

Fresas

4,4

1,7

12,2

0

4,4

0

5 – 8

2

15

3 – 4

-

15 - 17

275 – 440

110

825

165 – 220

680

825 - 936

Queso T (ºC)Calor

(kcal/tm 24h)

en maduración

en conservación

12 a 14

2 a 4

1.800

180

El calor y la respiración dependende la T de almacenamiento


63

En el caso de pequeños espacios refrigerados (V < 42 m3), se puede aplicar un método de cálculo simplificado

V es el volumen del espacio refrigerado

f es un factor de uso (tablas)

∆T es la diferencia de temperaturas

TfVQ

UsoCompartimento

compactoCámara

Bajo 2,92 0,97

Medio 3,57 1,30

Alto 4,86 1,95

4.- Cargas Térmicas (V)


64

Normalmente: ventiladores y sistemas de desescarche del evaporador

Cargas Interiores por los equipos

4.- Cargas Térmicas (VI)

Mucho ojo a:• Sifón no congelado• Apagado de resistencias eléctricas


65

Normalmente, ventiladores y sistemas de desescarche

Cargas Interiores por los equipos

4.- Cargas Térmicas (VI)

Mucho ojo a:• Sifón no congelado• Apagado de resistencias eléctricas

motor

nominalabsorbidac

PPq

ASHRAE

Por efecto del aumento de la densidad delaire, la potencia de un ventilador a -20ºCse incrementa un 16% respecto a la de20ºC, y un 25% si la temperatura es -40ºC


66

4.- Cargas Térmicas (VII)

Depende del tipo de lámparas

Es habitual considerar que toda la potencia se convierte en carga sensible

• Incandescencia: x 1

• Fluorescencia convencional: x 1,25

• Fluorescencia electrónica: x 1,05

Luminarias especiales para bajas temperaturas (estancas)

Cargas Interiores por la iluminación


67










68









Considerar:

• Encendido de la cámara por zonas

• Luz de emergencia permanentemente encendida


69

4.- Cargas Térmicas (VIII)

Cargas Interiores por personas trabajando

WNqQ ppP ACTIVIDADQ SENSIBLE

(W)Q LATENTE

(W)

Sentado, sin trabajar 65 35

De pie, relajado 75 55

Paseando 75 70

Andando

1,6 km/h3,2 km/h4,8 km/h6,4 km/h

5080110150

110130180270

SedentarioLigero de pieMedio de pieManualLigero (en fábrica)Pesado (en fábrica)

80708080110170

8090

120140185255

Las personas desprende calor(sensible) y humedad (latente)

ASHRAE

T cámaraQ pers

(W)

10 210

5 240

0 270

-5 300

-10 330

-15 360

-20 390

W)C(ºT6272q cámarap


70

• Desescarche de evaporadores

• Dispositivos anticongelación

• Electrónica y sensores

• Condensación del vapor de agua que penetre en la cámara porlas paredes

4.- Cargas Térmicas (IX)

Otras cargas térmicas interiores

A modo de coeficiente de seguridad se puede considerar un valortípico de entre el 10 y el 15%


71

4.- Cargas Térmicas (X)

Cargas térmicas exteriores por cerramientos

TAUQ

U (W/m2ºC) es la transmitancia térmica

TR

1U

intconn1extconT RR...RRR RT es la resistencia térmica total (m2ºC/W)

R1 a Rn son las resistencias térmicas de losdiferentes elementos que componen elcerramiento

Rcon ext y Rcon ext son las resistencias térmicas superficiales correspondientes al aire exterior e interior respectivamente Cerramiento Rcon est Rcon int

Pared vertical 0,04 0,13

Suelo 0,04 0,10

Techo 0,04 0,17


72

En este caso es necesario efectuar una corrección de la T de diseño

Se deben sumar los siguientes valores a la ∆T, teniendo en cuenta que elsol no puede incidir al mismo tiempo desde el este y desde el oeste

Acabado de la pared

Oscura Media Reflectante

Techo 14 11 5,5

Pared este u oeste 6,6 5,5 3

Pared sur 3,3 3 1,6

4.- Cargas Térmicas (XI)

Cargas térmicas exteriores por cerramientos expuestos al Sol


73

En este caso es necesario efectuar una corrección de la T de diseño

Se deben sumar los siguientes valores a la ∆T, teniendo en cuenta que elsol no puede incidir al mismo tiempo desde el este y desde el oeste

Acabado de la pared

Oscura Media Reflectante

Techo 14 11 5,5

Pared este u oeste 6,6 5,5 3

Pared sur 3,3 3 1,6

4.- Cargas Térmicas (XI)

Cargas térmicas exteriores por cerramientos expuestos al Sol

ASHRAE


74

4.- Cargas Térmicas (XII)

Cargas térmicas exteriores por superficies acristaladas

En vitrinas, botelleros y expositores comerciales

Entra calor por conducción a través del cristal (doble y triple vidrio concámaras de aire), y directamente por radiación (evitar radiación directa deiluminación)


75

4.- Cargas Térmicas (XIII)

]h24/kW[FHg1)hh(A221,0Q m5,0

5,0

int

extintintextA

5,1

33,0extint

m/1

2F

A área de la puerta (m2)hint entalpía del aire interior (kJ/kg)hext entalpía del aire exterior (kJ/kg)ρint densidad del aire interior (kg/m3)ρext densidad del aire exterior (kg/m3)g gravedad (9,8 m/s2)H altura de la puerta (m)

Cargas térmicas exteriores por infiltraciones de aire exterior

Aperturas - cierres

]h24/kW[)E1.(DDQQ ftA

QA es el calor en kW entrante con la puerta totalmente abierta


76


4.- Cargas Térmicas (XIV)



s

sA R

1·

A

Q)·m(Alto)m(Ancho577,0Q

ASHRAE


77


s

sA R

1·

A

Q)·m(Alto)m(Ancho577,0Q




ASHRAE


78




Dt es el tiempo de permanencia de la puerta abierta

t·600.3

t·60t·PD abiertaapertura

t

P nº de pasos por la puerta en el tiempo tTapertura puertas normales de 15 a 25 sTapertura puertas rápidas 5 a 10 s

Df es el factor de flujo de aire por la puerta comparado con apertura total

para flujo sin obstruir 1para 1 entrada por min en puertas rápidas

0,8 para saltos térmicos mayores de 11ºC1,1 para saltos térmicos menores de 11ºC

E es la efectividad de cierre la protección (cortina, cortina de aire, …)

Entre 0,7 y 0,95, y 0 si no hay sistema


Aperturas - cierres


79

4.- Cargas Térmicas (XV)

Cargas térmicas exteriores por entrada directa de aire por las puertas

apertura3

intintext2

inf F·m/kg.kg/kJhhmAreas/mVkWQ

FApertura es la fracción decimal del tiempo en que la puerta está abierta

Puerta directamente abierta

Cargas térmicas exteriores por ventilación de cámaras

Necesario en las cámaras con respiración de los productos

3intintext

3Renovación m/kg.kg/kJhh]s/m[VkWQ

Volumen (m3) T > 0ºC T < 0ºC

53060

150

4717127

36139

5,5

Volumen (m3) T > 0ºC T < 0ºC

2001.2003.000

15.000

62,21,40,9

4,51,71,10,8

Tablas aproximadas

Renovaciones/día


80

4.- Cargas Térmicas (XVI)ASHRAE


81

4.- Cargas Térmicas (XVII)

A través delaislamiento: 20%

Ventiladores del evaporador: 15%

Desescarche: 15%

Iluminación: 10%

Carga latente ocupantes y vehículos: 10%

British Refrigeration Association (B.R.A.)

Apertura de la puerta: 30%

Carga a T de la cámara


82

Son materiales con un coef. Conduc. Tér. l bajo (depende de la T)

Los efectos de su instalación son:

– Disminuir las pérdidas térmicas– Evitar temperaturas de contacto peligrosas– Evitar la condensación sobre las superficies frías– Impedir “emisiones” de calor incontroladas

5.- Aislantes Térmicos (I)

Materiall

(W/mºC)

Acero 50

Acero inoxidable 17

Aluminio 230

Aleaciones de Al 160

Bronce 65

Materiall

(W/mºC)

Cobre 380

Azulejo 1,3

Plaqueta o baldosa 1

Madera > 870 kg/m3 0,29

Madera < 870 kg/m3 0,23


83

5.- Aislantes Térmicos (II)

Materiall

(W/mºC)

Densidad

(kg/m2)

Resistencia al vapor de agua

Poliestireno expandido

0,029 30 20

0,038 22 20

0,046 10 20

XPS expandido con CO2 0,034 37,5 100

XPS expandido con HFC 0,025 37,5 100

MW Lana mineral

0,031 40 1

0,041 40 1

0,050 40 1

Arcilla 0,148 537,5 1

Perlita expandida 0,062 190 5

Panel de vidrio celular 0,050 125 1030


84

5.- Aislantes Térmicos (III)

Materiall

(W/mºC)

Densidad

(kg/m2)

Resistencia al vapor de agua

Poliuretano, PUR proyectado con HFC 0,028 45 60

PUR proyectado con CO2

0,032 50 100

0,035 50 100

PUR, Plancha con HFC o Pentano y revestimiento permeable a gases

0,027 45 60

0,030 45 60

PUR, Plancha con HFC o Pentano y revestimiento impermeable a gases

0,025 45 1030

PUR inyectado en tabique con CO2 0,040 17,5 20


85

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MATERIALES AISLANTESARTIFICIALES

Interponer capas intermedias en las que exista el vacío (el mejor aislante,pero es difícil de lograr y mantener); es decir, se interponen capas entre lasque el calor se trasmite únicamente por radiación

Normalmente se “sustituye” el vacío por aire, entre las capas de material seproduce transmisión de calor por radiación y por convección

Importante que el aire esté en reposo, y que no exista humedad dentro delaislante

También se utilizan agentes espumantes, como el CO2

5.- Aislantes Térmicos (IV)


86

Aislantes más utilizados:

- Lana de roca

- Lana de vidrio

- Poliestireno expandido

- Poliestireno extruido

- Espuma de poliuretano

- Espuma elastómera

5.- Aislantes Térmicos (V)


87

Lana de Roca

Producto obtenido a partir de roca volcánica (roca basáltica)

Fabricación: fusión (1.600ºC), formación de fibras, aglomeración y conformado

5.- Aislantes Térmicos (VI)


88

Lana de Roca

Producto obtenido a partir de roca volcánica (roca basáltica)

Fabricación: fusión (1.600ºC), formación de fibras, aglomeración y conformado

Se presenta en forma de mantas, paneles de diferente rigidez, coquillas, a granel e incluso mezclada con mortero para proyectar

Se caracteriza por su gran resistencia al fuego

Conductividad: 0,030 a 0,050 W/(m·K)

5.- Aislantes Térmicos (VI)


89

Lana de Vidrio

Producto obtenido a partir de la sílice (vitrificante) y el carbonato sódico (fundente)

Fabricación: fusión, formación de fibras, aglomeración y conformado

5.- Aislantes Térmicos (VII)


90

Lana de Vidrio

Producto obtenido a partir de la sílice (vitrificante) y el carbonato sódico (fundente)

Fabricación: fusión, formación de fibras, aglomeración y conformado

Se presenta en forma de mantas, paneles de diferente rigidez, coquillas y a granel

Se caracteriza por su buen comportamiento frente a la humedad


5.- Aislantes Térmicos (VII)


91

Poliestireno Expandido (EPS)

Producto derivado del petróleo y del gas natural, del cual se obtiene el polímeroplástico estireno en forma de gránulos

Se introduce en un molde y se inyecta vapor de agua, expandiéndose losgránulos y adoptando la forma del molde

5.- Aislantes Térmicos (VIII)


92

Poliestireno Expandido (EPS)

Producto derivado del petróleo y del gas natural, del cual se obtiene el polímeroplástico estireno en forma de gránulos

Se introduce en un molde y se inyecta vapor de agua, expandiéndose losgránulos y adoptando la forma del molde

Se presenta en forma de paneles de diferente rigidez y en formas varias mediantela utilización de moldes (bovedillas, etc. etc.)

OJO: Es inflamable. Además, es atacable por los rayos UV. Además, tiene elinconveniente de absorber la humedad

5.- Aislantes Térmicos (VIII)

Además de cómo aislante térmico, seutiliza en el embalaje de objetos frágiles



93

5.- Aislantes Térmicos (IX)

Poliestireno Extrusionado (XPS)

Composición similar al EPS, se diferencia en el proceso de conformado.

La extrusión da lugar a una estructura de celda cerrada, lo cual supone que esteaislante puede mojarse sin perder sus propiedades térmicas



94

5.- Aislantes Térmicos (X)

Espuma de Poliuretano (PUR)

Producto obtenido mediante la reacción química de un poliol y un isocianato, lacual produce CO2, que va formando las burbujas

Sus aplicaciones son muchas (gomaespuma en colchones, muebles, automoción,etc)



95

5.- Aislantes Térmicos (XI)

Espuma Elastómera

Producto de celda cerrada obtenido a partir de caucho sintético flexible

Se emplea para el aislamiento térmico de tuberías y depósitos



96

¿Qué capacidad de refrigeración hace falta para producir diariamente68 kg de hielo a -9ºC partiendo de agua a 21 ºC?

6.- Ejemplos de Cálculo (I)


97

¿Cuánto calor entra por la paredes de un refrigerador doméstico de 1,5 mde altura, 0,9 m de ancho y 0,75 m de fondo, aislado con poliestirenoexpandido de 4 cm de espesor, l = 0,037 W/mK, si la temperatura en el

interior es de 4ºC y en el exterior de 24ºC?

6.- Ejemplos de Cálculo (II)


98

6.- Ejemplos de Cálculo (III)

Calcular el coeficiente de transmisión térmica de una pared compuesta de:

• Tablero contrachapado de alta densidad de espesor 2 cm

• Poliestireno extrusionado con CO2 de espesor 8 cm

• Revestimiento de PVC de espesor 0,2 cm


99

6.- Ejemplos de Cálculo (IV)

Una pared está formada por un tabicón de LHD de 7 cm y una plancha depoliestireno expandido de media densidad y espesor 3 cm

Calcular el espesor de poliestireno equivalente


100

Calcular la carga de refrigeración de una cámara de 6x6 m de planta y 2,5 mde altura que se utilizará para refrigerar 12.000 kg de albaricoquesdiariamente, desde la temperatura ambiente (26ºC) hasta 1,5ºC. Loscerramientos de la cámara tienen 10 cm de EPS de media densidad.

Considerar que la cámara es de color blanco y su uso esporádico

cp = 3,85 kJ/kg/ºC

6.- Ejemplos de Cálculo (V)


101

6.- Intercambiadores de calor (V)Bibliografía del Tema

P. MelgarejoCámaras Frigoríficas y Túneles de Enfriamiento Rápido

Instituto Internacional del FríoGuía del Transporte Frigorífico

P. Fernández,Ingeniería Térmica


102

DTIE 12.01. Cálculo del AislamientoTérmico de Conducciones y EquiposA. Viti

Guía Técnica: Diseño y Cálculo del AislamientoTérmico de Conducciones, Aparatos y EquiposIDAE

Bibliografía del Tema

• El Instalador• Montajes e Instalaciones

Revistas nacionales:• Conxemar


103

http://www.armaflex.es/http://www.isover.net/http://www.rockwool.com/http://www.ursa.es/

http://www.lym.com.mx/index.htmlhttp://www.hoval.es/default.htmhttp://www.sedical.com/web/inicio.aspx

Bibliografía del Tema

ASHRAE HANDBOOKS (CD`s)Refrigeration; Cap 12; Refrigeration Load

t.2.1.4.- cargas térmicas de refrigeración · tomates verdes 5 a 10 85 a 90 4 semanas tomates...

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