Ver 3ª PARTE
MÉTODOS PARA ESTIMAR Y MODELAR LA ENERGÍA
Los métodos
para estimar y modelar la energía son particularmente apropiados para describir
las condiciones de los fluidos cuando se conocen las características de diseño
del equipo. Asimismo, este modelo requiere solamente un único parámetro para
describir las características del intercambiador: el coeficiente
de transferencia total UA,
que puede ser determinado a partir de los datos de rendimiento de diseño
limitado.
Debido a que los métodos de
efectividad clásica se desarrollaron para los intercambiadores de calor
sensible en sistemas HVAC. Para serpentines de calentamiento de aire con tubos
de aleta típica, la configuración de flujo cruzado con chorros no mezclados es
la más apropiada. La misma configuración típicamente se aplica a
intercambiadores de calor aire-a-aire. Para intercambiadores de calor
líquido-a-líquido, el equipo tubo-en-tubo puede ser modelado en paralelo o
contraflujo, dependiendo de las direcciones de caudal. El equipo de tubo y
carcasas puede modelarse en contraflujo o flujo cruzado, dependiendo de la
extensión del baffling y el número de pasos de tubo. El análisis de energía
debe determinar el UA para describir las operaciones de un intercambiador de
calor específico. Típicamente hay dos aproximaciones para determinar este
importante parámetro: cálculo directo y datos del fabricante. Conociendo la
información detallada sobre materiales, geometría, y construcción del
intercambiador de calor, los principios de transferencia de calor fundamentales
pueden aplicarse para calcular el coeficiente de transferencia de calor total.
Sin embargo, el método más apropiado para estimar la energía es usar los datos
de rendimiento del fabricante o con mediciones directas de rendimiento. Los
fabricantes típicamente proporcionan la tasa de transferencia de calor bajo
varias condiciones de operación, con las condiciones de operación descritas en
términos de entrada de tasas de caudal y temperaturas del fluido.
Ejemplo de análisis de un sistema de calentamiento de agua
Imaginemos
la evaluación de un sistema de calentamiento de agua caliente que incluye un
serpentín de calentamiento de agua caliente. El programa de análisis de energía
usa un effectiveness-NTU model del serpentín y requiere el UA (coeficiente de
transferencia) del serpentín como un parámetro de entrada. Aunque no está
disponible información detallada de la geometría del serpentín y las
superficies de transferencia de calor no están disponibles, el fabricante
afirma que el serpentín de calentamiento de agua de one-row transmite 240 kW de
calor bajo las siguientes condiciones de diseño:
Rendimiento
de diseño
Temperatura del agua entrante tht
= 80ºC
Caudal de la masa de agua mh
= 5 kg/sTemperatura del aire de entrada tci = 20ºC
Caudal de la masa de aire mc = 8 kg/s
Transferencia de calor de diseño q = 240 kW
Solución
En primer lugar debemos
determinar la UA, luego usaremos UA para predecir el rendimiento en condiciones
fuera de diseño. En ambos pasos se usa Effectiveness-NTU relationships. La
asunción clave es que UA es constante para ambas condiciones de operación.
a) Un
examen de los caudales y el calor específico permite calcular la capacidad del
fluido caliente Ch y la
capacidad del fluido frío Cc
en las condiciones de diseño, y el ratio de capacidad Z.
Donde cp es el calor
específico y cmax y cmin son las capacidades más grandes
y más pequeñas, respectivamente.
b) La
efectividad puede calcularse directamente de la definición de transferencia de
calor.
Donde tCO es la temperatura
del aire dejando el intercambiador.
c) La
effectiveness-NTU relationships para un intercambiador de calor de flujo
cruzado con ambos fluidos sin mezclarse permite calcular la efectividad en
términos de ratio de capacidad Z y la NTU (esta relación está disponible en
libros de texto). El valor de la efectividad y ratio de capacidad, NTU = 0,804.
d) La
transferencia de calor UA viene determinada por la definición de NTU.
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