Carga de enfriamiento

La carga de enfriamiento en un equipo de refrigeración raras veces es el resultado de una sola fuente de calor. Mas bien, es la suma de las cargas térmicas en las que están involucradas diferentes fuentes. Algunas de las fuentes de calor más comunes que suministran la carga de refrigeración del equipo son:

Calor que pasa del exterior al espacio refrigerado por conducción a través de las paredes.

Calor que llega del espacio por radiación directa a través de vidrierías o de otros materiales transparentes.

Calor que pasa al espacio debido al aire exterior caliente, el cual pasa a través de puertas que se abren y a través de rendijas que se tienen alrededor de puertas y ventanas.

Calor cedido por el producto caliente a medida que su temperatura baja hasta el nivel deseado.

Calor cedido por las personas dentro del espacio refrigerado.

Calor cedido por algún equipo productor de calor localizado dentro del espacio, tal como motores eléctricos, alumbrados, equipos electrónicos, etc.

No necesariamente todas estas fuentes de calor intervienen en cada caso y la importancia de cualquiera de éstas con respecto a la carga de enfriamiento total, varia considerablemente para cada aplicación especifica .

 - Pérdida de carga por paredes, techo y piso.

La pérdida de carga o carga de fuga por paredes, es una medición del calor que fluye por conducción a través de las paredes del espacio refrigerado del exterior hacia el interior.

Esta pérdida de carga es calculada a partir de la siguiente ecuación:

Qpar = U*A*(T1-T2) (5.1)

Donde:

Qpar : Pérdida de carga a través de paredes, techo y piso (Kcal/h).

U : Coeficiente global de transmisión de calor a través de las paredes (Kcal/hm2°C)

A : Superficie de la pared en calculo (m2)

T1 : Temperatura exterior de la pared (°C)

T2 : Temperatura interior de la pared (°C)

U= 1 (5.2)

( 1/hi + 1/he +"En/kn)

Donde:

U : Coeficiente global de transferencia de calor (Kcal/m2h°C)

hi : Coeficiente de convección interior (Kcal/m2h°C)

he : Coeficiente de convección exterior(Kcal/m2h°C)

En : Espesores de los componentes de la pared (m)

Kn : Conductividad térmica de los componentes de la pared (Kcal/mh°C)

Para la obtención del coeficiente global de transferencia de calor primero se deben determinar el coeficiente de convección tanto interiormente como exteriormente.

El coeficiente convectivo interno guarda relación entre el aire frío y la pared interior de la cámara, y se desarrolla por convección forzada en régimen laminar y puede determinarse a partir de la siguiente ecuación (Pitts y Sissom, 1979).

hi = (K/L)*0.664*(Re)1/2*(Pr)1/3 (5.3)

Donde:

hi : Coeficiente convectivo interno (Kcal/hm2°C)

K : Conductividad térmica del aire (Kcal/hm°C)

L : Largo de la pared (m)

Re : Número de Reynolds (relación entre las fuerzas cinemáticas y viscosas)

Pr : Número de Prandtl (relación entre los espesores relativos de las capas límites hidrodinámicas y térmicas).

Además para determinar el coeficiente convectivo se necesita conocer:

Ts : Temperatura de la pared (°C)

Tb : Temperatura del aire (°C)

V : Velocidad de aire (m/s)

Lo primero para la determinación del coeficiente convectivo es establecer la temperatura de película, de la siguiente manera:

Tf = (Ts + Tb ) (5.4)

2

Conforme a la Tabla 2.a, Anexo N°2; y a una temperatura Tf, suponiendo presión atmosférica, se establecen las propiedades de conductividad térmica (K), viscosidad del aire (µ), y por ultimo el número de Prandtl, luego se determina el número de Reynolds, de la siguiente forma:

Re = (v * L) (5.5)

µ

Los valores que se obtienen deben ser remplazados en la ecuación (5.3), con el fin de obtener el valor del coeficiente de convección interior.

La ecuación (5.3) tiene validez convenientemente para cualquier fluido cuyo Pr > 0.7 (Pitts y Sissom, 1979).

El coeficiente convectivo externo guarda relación entre la pared exterior de la cámara y el aire de ese medio y se desarrolla por convección natural en una placa vertical.

El valor del coeficiente de convección externa puede obtenerse por medio de la siguiente ecuación, asumiendo un flujo de calor uniforme a lo largo de la placa (Pitts y Sissom, 1979).

he = (4/3) * (K/L) * (F(Pr)) * (Gr/4)1/4 ( 5.6)

Junto con:

Gr = g * B * (Tb -TS) * L3 (5.7)

µ2

B = 1 (5.8)

Tb

Donde :

Gr : Número de Grashof (relación entre las fuerzas de empuje y las fuerzas viscosas).

g : Aceleración de gravedad (m/s2)

B : Coeficiente de expansión volumétrico (1/°K)

µ : Viscosidad del aire (m2/s)

L : Longitud (valor promedio entre el ancho y largo de la pared (m))

TS : Temperatura superficial de la pared (exterior)(°C)

Tb : Temperatura del aire (exterior)(°C)

Pr : Número de Prandtl

K : Conductividad térmica del aire (Kcal/hm°C)

F(Pr): Pendiente del perfil de temperatura en la pared, en función del número de Prandtl su valor se obtiene de la Tabla 2.b, Anexo N°2; dependiendo del valor del Prandtl.

 - Pérdida de carga por el producto

Esta pérdida está referida al calor que pierde o cede el producto al espacio refrigerado, hasta que se enfría a la temperatura que se tiene en tal espacio, es decir, el producto disipa calor hasta que se enfría a la temperatura existente en el interior del espacio refrigerado.

Tal calor disipado está sometido a:

La temperatura del espacio refrigerado.

La cantidad de producto.

El calor específico del producto

La temperatura inicial del producto.

Qpr = W *Ce *(T1-T2) (5.9)

Donde:

Qpr : Pérdida de carga por el producto (Kcal/h)

W : Cantidad de producto (Kg/h)

Ce : Calor específico del producto (Kcal/Kg°C)

T1 : Temperatura inicial del producto (°C)

T2 : Temperatura final del producto (°C)

5.5.4.3. - Pérdida de carga por cambio de aire

Al abrirse la puerta de un espacio refrigerado, el aire caliente del exterior entra al espacio para reemplazar al aire frío más denso, esto constituye una pérdida en el espacio refrigerado. El calor que debe ser eliminado por este aire caliente del exterior para reducirle su temperatura y contenido de humedad a las condiciones de diseño del espacio, constituye una parte de la carga de enfriamiento total .

A esta parte de la carga se le denomina carga por cambio de aire y se determina mediante la siguiente ecuación:

Qai = V *F *B (5.10)

Donde:

Qai : Pérdida de carga por cambio de aire (Kcal/h)

V : Volumen interior del espacio refrigerado (m3)

F : Frecuencia de renovación cada 24 horas. Su valor se obtiene de la Tabla 2.c, Anexo N°2; según volumen de la cámara.

B : Calor removido (Kcal/m3), su valor se obtiene de la Tabla 2.d, Anexo N°2; por medio de la temperatura interior del espacio refrigerado, temperatura del aire de entrada y humedad relativa del aire de entrada.

 - Pérdida de carga por efecto de iluminación

Esta pérdida corresponde a las llamadas “cargas varias”, junto al calor cedido por los motores eléctricos dentro del espacio refrigerado y el personal circulante dentro de éste.

La determinación de la pérdida de calor por efecto de iluminación se calcula por medio de la siguiente ecuación:

Qil = n *W *F (5.11)

Donde:

Qil : Pérdida de carga por iluminación (Kcal/h)

W : Potencia de las ampolletas (Watts)

n : Número de ampolletas

F : Factor de conversión (0.86 Kcal/W-h)

- Pérdida de carga por motores eléctricos

Esta pérdida corresponde al calor que ceden los motores que operan dentro del espacio refrigerado.

La cual se determina mediante la presente ecuación:

Qme = N *Pm *F (5.12)

Donde:

Qme : Pérdida de carga por motores eléctricos (Kcal/h)

N : Número de motores

Pm : Potencia del motor

F : Factor de equivalencia calorífica de motores eléctricos(Kcal/Hp-h), el cual se obtiene por medio de la Tabla 2.e, Anexo N°2; a partir de la potencia del motor y del lugar donde se dispersan las pérdidas de calor.

- Pérdidas de carga por personal circulante

Estas pérdidas están referidas al calor que se disipa por efecto de las personas que laboran dentro del espacio refrigerado.

La cual se determina por medio de la siguiente expresión:

Qpc = N *F (5.13)

Donde:

Qpc : Pérdida de carga por personal circulante (Kcal/h)

N : Número de personas

F : Factor de equivalencia calorífica de los ocupantes (Kcal/h), su valor se obtiene de la Tabla 2.f, Anexo N°2; tomando como base la temperatura interior del espacio refrigerado.

5.5.4.7. - Pérdidas de carga por recipientes y materiales de empaque

Se refiere al calor cedido por los recipientes o materiales de empaque de los productos, ya que deben considerar como parte de la carga del producto el calor disipado por éstos, ya que su enfriamiento desde la temperatura que éstos tienen en la entrada hasta la temperatura que se tiene en el espacio refrigerado .

Esta pérdida se determina por medio de la siguiente ecuación:

Qre =W * Ce * (T1-T2)*N (5.14)

Donde:

Qre : Pérdida de carga por recipientes y materiales de empaque (Kcal/h)

W : Peso del material de empaque

Ce : Calor especifico del material de empaque (Kcal/Kg°C)

T1 : Temperatura inicial del material de empaque (°C)

T2 : Temperatura final del material de empaque (°C)

N : Cantidad de envases utilizados