Hoja de Cálculo Estimación de Carga Térmica Sala de Climatizado

Jueves 22 de Enero del 2015, Nos, San Bernardo

1 Miguel Muñoz G. Ingeniero de proyectos industriales planta galletas, Carozzi.

Memoria de cálculo

“Estimación de carga térmica sala de climatizado, planta galletas,

Carozzi”

Condiciones de estudio:

Condiciones de calor estable en el tiempo.

Variación de energía por conducción, convección y radiación.

Flujos de calor unidireccional.

Generación interna de calor.

Ecuación de transferencia gobernante:

𝑄 = 𝑈 𝐴 𝛥𝑇, ecuación de transferencia de calor. (1)

U: coeficiente global de transferencia de calor.

A: área de transferencia de calor.

𝛥𝑇 : Diferencia de temperatura.

Calor cedido por el aire:

𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = ∀𝛾 𝐶𝑝 ∆𝑡 × [𝑛° 𝑟𝑒𝑛𝑜𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠

ℎ𝑟 ] (2)



Datos de sala climatizada:

Temperatura de trabajo ideal 18 ~ 22 °C , con una humedad relativa del 60 %

Volumen y área total de sala : 14207 (metros cúbicos)

Materialidad involucrada:

1. Paneles Pir.

Conductividad térmica : 0.02494 (kcal/ hr m °C)

Espesor : 0,15 mts.

2. Vidrios templadas,


Espesor : 0.003 mts.

3. Cubierta de Paneles Pir revestimiento de zinc


Espesor : 0,15 mts.

Nota: la cubierta es similar a los paneles de muro del climatizado, no varía de forma considerable

su conductividad térmica (K). El piso no será considerado, ya que este se mantienen constante

durante el año, 12~ 18 °C, el cual no aporta calor a la sala de climatizado.

Esquema de sala:



Calculo de flujo de calor aportado, a la sala de climatizado:

Paneles de muro:

Condiciones:

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑎 (𝑇∞) = 30 °𝐶

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑟𝑜 (𝑇1) = 34 °𝐶

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑟𝑜 (𝑇2 ) = 24°𝐶 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑆𝑎𝑙𝑎 (𝑇∞) = 18°𝐶

Para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección para el exterior de

la sala, se considera una velocidad de 1 (m/seg), y flujo sobre placa plana.

ℎ𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = ℎ𝑐𝑛 + ℎ𝑓𝑜𝑟𝑧𝑎𝑑𝑜 + ℎ𝑟𝑎𝑑 (3)

Nota: no se considera radiación.

ℎ𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = ℎ𝑐𝑛 + ℎ𝑓𝑜𝑟𝑧𝑎𝑑𝑜 (4)

Para analizar el tipo de flujo que existe sobre la placa, y así obtener los coeficientes de

transferencia de convección, se analiza el comportamiento mediante el largo crítico y número de

Reynolds.



𝑋𝑐∗ = 5 × 105 𝜈

𝑉∞ ; Largo equivalente (5)

ℜ𝑒 =𝑉∞𝑋

𝜈 ; Numero de Reynolds (6)

Con la temperatura pelicular obtenemos de tabla los valores necesarios para operar las

ecuaciones (5) y (6):

𝑇𝑝 =30 + 34

2= 32 °𝐶 = 86,6 °𝐹

Entrando a tabla

𝑉∞ = 1 (𝑚

𝑠𝑒𝑔) = 3,28084 (

𝑃𝑖𝑒

𝑠𝑒𝑔)

𝜈 = 0,174 × 10−3 (𝑝𝑖𝑒2

𝑠𝑒𝑔)

𝐾 = 0,0151 (𝑏𝑡𝑢

ℎ𝑦 𝑝𝑖𝑒 °𝐹)

ℙr = 0,72

𝑋𝑐∗ = 5 × 105

0,174 × 10−3

3,28084= 26,5179 𝑝𝑖𝑒

𝑋𝑐∗ < 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 (19,6848 𝑝𝑖𝑒), 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜 tan𝑡𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟

El cual tiene un valor en número de Reynolds igual a:

ℜ𝑒 =3,28084 × 19,6848

0,174 × 10−3= 371130 (𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟)

Nota: En placa plana Re menor o igual a 500000 es un flujo laminar, y turbulento sobre los

500000.



Como existe solo flujo laminar en la placa calculamos el coeficiente de convección natural:

ℎ𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = ℎ𝑐𝑛

ℎ𝑐𝑛 = 0,664 ×𝑘

𝑥𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎(ℜ𝑒)1 2⁄ (ℙr)1 3⁄

Evaluando y despejando

hcn = 0,278 (btu

hrpie2 °F) = 1,358 (

Kcal

hrm2°C)

Rexterior =1

1,358= 0,7360 (

hrm2°C

Kcal)

Para el centro de la placa

Rintermedio = L

K=

0,15

0,02494= 6,0144 (

Hr m2°c

Kcal)

Para el hi , se calcula por aire quieto de tabla carrier.

Ri = 140 × 10−3 (Hrm2°c

Kcal)

∴ U = 1

∑Requivalente=

1

0,7360 + 6,0144 + (140 × 10−3)

U = 1

∑Requivalente= 0,14512 (

Kcal

Hrm2°c)

Luego el calor disipado por el área total del muro será:

Q = U A ∆T

Q = 0,14512 (Kcal

hrm2°C) × 207 m2 (30 − 18)°c

Q = 360,478 (Kcal

Hr)

Flujo de calor aportado a la sala por los muros.



Cubiertas y ventanas (Vidrios):

Para el cálculo de las ventanas y cielo se utiliza el mismo procedimiento desarrollado

anteriormente, dando como resultado los siguientes valores de calor aportado a sala.

Q = U A ∆T

Ventanas

Q = 1,136 (Kcal

hrm2°C) × 260 m2 (34 − 18)°c

Q = 4727,27 (Kcal

Hr)

Flujo de calor aportado a sala por los vidrios.

Cubierta

Q = 335575 (Kcal

Hr)

Flujo de calor aportado a sala por el cielo.

Calor perdido o cedido por el aire al entorno:

𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = ∀𝛾 𝐶𝑝 ∆𝑡 × [𝑛° 𝑟𝑒𝑛𝑜𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠

ℎ𝑟 ]

𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 14280 × 0,3 × (30 − 18) × 1

𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 51408 (𝐾𝑐𝑎𝑙

ℎ𝑟)

Flujo de calor aportado por el aire a sala.



Flujo de calor aportado por las personas del sector:

Se ha considerado que la sala está trabajando a su máxima capacidad.

Datos:

N° de personas : 70

Factor de emisividad de radiación : 0,95

Área de transferencia por personas : 1,6 metros cuadrados

Flujo de calor aportado por radiación y por convección

Qradiación = εAσ (Ts4 − T4

alrededor)

Q = 0,95 × (5,67 × 10−8 W

m2k4) × (1,6 m2) × [(35 + 273)4 − (18 + 273)4]

Q = 157,571 (w) Radiación

Qconvección = h × A × ∆T

Q = (163,2 + 157,571) (w)

Q = (163,2) (w), convección

Qtotal = Qradiación + Qconvección

Qtotal = 320,771 × n° depersonas

Qtotal = 320,771 × 70 = 22454 (𝑊) = 76616,2 (𝑏𝑡𝑢

ℎ𝑟) = 19307 (

𝑘𝑐𝑎𝑙

ℎ𝑟)

Flujo de calor aportado a la sala por las personas.



Flujo de calor aportado por la iluminación:

Existen 144 luminarias, de las cuales el calor aportado al sector es de:

𝑄 = 13372,31(𝑘𝑐𝑎𝑙

ℎ𝑟)

Flujo de calor aportado por las galletas:

𝑄 = 32483,2(𝑘𝑐𝑎𝑙

ℎ𝑟)

Tabla de flujo de calor aportado a la sala de climatizado:

Flujo de calor aportado a la sala

Muros Ventanas cubierta Personas Iluminación Aire Galletas

(Kcal/hr) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (Kcal/hr)

360,478 4727,27 335575 19307 13757,52 51408 32483

Flujo calórico total aportado a sala 457637,74 (Kcal/hr)

1816053,3 (BTU/hr)

151,34 (Ton refrig)

532,23 (Kw)

713,74 (HP)

Al flujo de calor ganado por la sala de climatizado, se aplica un factor de seguridad del 10%, con la intención de descartar los factores de error en las mediciones. Por lo tanto el calor total en sala es de:

𝑄 = 503401,514 (𝑘𝑐𝑎𝑙

ℎ𝑟) = 1997658,63 (

𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟) = 166,47 𝑇𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑖𝑔𝑟𝑒𝑎𝑐𝑖ó𝑛



Análisis de capacidad frigorífica instalada en sector (actualmente):

En el sector existen dos tipos de equipos climatizadores, los cuales enfrían el aire del sector mediante refrigerante R22 y agua a 5 °C. Enfriadores con R22: Marca : Hitachi Modelo : RP10141 °N de equipos en el sector : 7 Capacidad de Refrigeración : 19,88 TR = 60116,11 (kcal/ hr) = 238560,01 (BTU/hr) Enfriadores con Agua a 7 °C: Marca : Güntener Modelo : MDGN 051C/14-AS/12P °N de equipos en el sector : 8 Capacidad de Refrigeración : 24 TR = 9183,05 (kcal/hr) = 36441,29 (BTU/HR)

Toneladas de refrigeración actuales en sala de climatizado

Hitachi 19,88 (Toneladas de refrigeración)

Güntner 24 (Toneladas de refrigeración)

total 43,88 (Toneladas de refrigeración)

132690,9 (Kcal/hr)

526560,02 (BTU/hr)

154,32 (Kw)



Análisis y conclusiones:

Actualmente la sala tiene una capacidad de 166,47 toneladas de refrigeración equivalentes

a 503401 (Kcal/hr), las cuales, con el antiguo volumen bastaba para mantenerla a una

temperatura estable de 22 ° c, en condiciones de verano. Al aumentar la carga térmica del sector,

debido a que, se han retirado los paneles aislantes del cielo falso, que no cumplen con la

normativa de la compañía, se ha generado un aumento en la capacidad mínima requerida para

mantener la temperatura en condiciones ideales para los productos del sector, de 43,88 a 166,47

toneladas de refrigeración [132690 (kcal /hr) a 503401 (kcal / hr)], generando una carencia de

122,59 toneladas de refrigeración equivalentes a 370705,95 (Kcal/hr).

Destaco que la climatización de los equipos itachi ha sido calculada en base teórica, en

función de la potencia del compresor, y que estos equipos llevan un largo periodo trabajando, lo

que, ha generado una disminución en su rendimiento real. Aumentando en un leve porcentaje la

capacidad calculada para climatizar la sala a 18°C, que debe ser considerada para la compra de los

equipos.

Para la necesidad de la sala, es necesario instalar a lo menos dos a tres equipos más, de

refrigeración aire - agua, para climatizar la sala a la temperatura de 18~ 20 °C, y en conjunto es

necesario generar un plan de mantenimiento mensual a los equipos del sector.

Hoja de Cálculo Estimación de Carga Térmica Sala de Climatizado

Documents

Transcript of Hoja de Cálculo Estimación de Carga Térmica Sala de Climatizado