Actualmente hay muchas herramientas que permiten realizar
fácilmente los cálculos de sistemas de calefacción pero normalmente están
enfocadas a las aplicaciones de edificación y mayoritariamente pensadas para ámbitos
geográficos muy determinados o para equipos concretos de fabricantes (ver
recopilación de Calculadores
gratuitos de calefacción y Calculadores
gratuitos de transferencia de calor).
Para facilitar el cálculo de sistemas de calentamiento de
procesos recopilamos en los siguientes apartados las ecuaciones básicas
utilizadas en el cálculo de este tipo de procesos. El enfoque que damos a esta
guía es la exposición de las técnicas esenciales de cálculo que nos permiten
dimensionar este tipo de instalaciones. La guía se redacta de forma
simplificada pero práctica, de forma que permite con facilidad empezar a
trabajar en cualquier proyecto.
Las ecuaciones que mostramos son fácilmente trasladables a
una hoja de cálculo para realizar todas aquellas pruebas que requiera el
diseñador.
1. Cálculos esenciales de calor en procesos
El análisis de los procesos térmicos puede requerir cálculos
a veces difíciles como consecuencia de la complejidad en sí de los procesos. Un
sistema sencillo será fácil de resolver pero conforme aumenta la complejidad
del proceso nos iremos enfrentando a mayores dificultades. No obstante, la
transferencia de energía térmica se explica con un conjunto de ecuaciones
bastante sencillas que bien entendidas nos ayudan a analizar cualquier proceso
complejo si sabemos desglosarlo convenientemente. Vamos a repasarlas una a una.
Ya que en el estudio de la energía hay una cierta
complejidad en las unidades utilizadas vamos también a hacer un resumen básico
de las que necesitamos conocer para estudiar un proceso.
a) Calor
La energía calorífica se transfiere como resultado de una
diferencia de temperatura. La energía calorífica pasa de un cuerpo caliente con
mayor temperatura a un cuerpo frío con una temperatura inferior.
La transferencia de energía como resultado de la diferencia
de temperatura se refiere como flujo de calor. El vatio, que es la unidad de
potencia del SI, puede definirse como 1 J/s de flujo de calor.
Otras unidades usadas para cuantificar la energía calorífica
son la British Thermal Unit – Btu (cantidad de calor necesaria para elevar 1 lb
de agua 1 ºF) y la caloría (cantidad de calor necesaria para elevar 1 gramo de
agua 1 ºC (las conversiones las tenemos aquí).
b) Entalpía específica
Este término nos da la energía total, considerando tanto la
presión como la temperatura, de un fluido y en un momento y condición de tiempo
dadas. Más específicamente es la suma de energía interno y el trabajo hecho por
una presión aplicada.
La unidad básica es el julio (J). Ya que un julio representa
una pequeña cantidad de energía suele usarse el KJ.
La entalpía específica es una medida de la energía total de
una masa unitaria. La unidad comúnmente usada es el kJ/kg.
c) Capacidad calorífica
La capacidad calorífica de un sistema es la cantidad de
calor requerido para cambiar toda la temperatura del sistema en un grado.
d) Calor específico
El calor específico es la cantidad de calor requerida para
cambiar la temperatura de un kilogramo de una sustancia en un grado. El calor
específico puede medirse en KJ/Kg o Btu/lbºF.
Ya que la entalpía de un fluido es una función de su
temperatura y presión, la dependencia de temperatura de la entalpía puede
estimarse midiendo la elevación en la temperatura causada por el flujo de calor
a presión constante. La capacidad de calor a presión constante – cp
– es una medida del cambio en la entalpía a una temperatura particular.
Similarmente, la energía interna es una función de
temperatura y volumen específico. La capacidad calorífica a volumen constante –
cv – es una medida del cambio en la entalpía a una temperatura
particular.
Similarmente, la energía interna es una función de
temperatura y volumen específica. La capacidad calorífica a volumen constante –
cv – es una medida del cambio en la energía interna a una
temperatura particular y volumen constante.
A menos que la presión sea extremadamente alta el trabajo ejercido
por la presión aplicada en sólidos y líquidos, puede despreciarse, y la
entalpía puede representarse solamente por el componente interno de energía. El
calor a volumen constante es igual que el calor a presión constante.
Para sólidos y líquidos:
El calor específico representa la cantidad de energía
requerido para elevar 1ºC la temperatura de 1 kg, y puede entenderse como la
capacidad de una substancia de absorber calor.
e) Cantidad de calor requerido para elevar la temperatura
La cantidad de calor necesario para calentar un objeto de un
nivel de temperatura a otro puede expresarse como:
- Q = cantidad de calor (kJ)
- Cp = calor específico (kJ/kg K)
- m = masa (kg)
- dT = diferencia de temperatura entre el lado caliente y frío (K)
Ejemplo de
calentamiento de agua
Consideremos la energía necesaria para calentar 1 kg de agua
de 0 ºC a 100 ºC cuando el calor específico del agua es 4,19 kJ/kg K:
2. Cálculos de procesos de transferencia de calor
Los cálculos de procesos de transferencia de calor los
hemos estudiado en otra serie de artículos (ver aquí).
Ver 2ª PARTE
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