Modelización de los sistemas energéticos vista en detalle (4ª PARTE)

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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 t_ht = 80ºC

Caudal de la masa de agua m_h = 5 kg/s
Temperatura del aire de entrada  t_ci = 20ºC
Caudal de la masa de aire m_c = 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 C_h y la capacidad del fluido frío C_c en las condiciones de diseño, y el ratio de capacidad Z.

Donde c_p es el calor específico y c_max y c_min son las capacidades más grandes y más pequeñas, respectivamente.

b)      La efectividad puede calcularse directamente de la definición de transferencia de calor.

Donde t_CO 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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