Guía básica para calcular sistemas de calentamiento de procesos (1ª PARTE)

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).

Es por ello que cuando trabajamos en el diseño de aplicaciones térmicas específicas tales como las industriales, u otros sectores especializados como la minería o la agroindustria; no sea tan fácil encontrar herramientas para el cálculo del proceso térmico para el cual estamos diseñando una aplicación.

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 – c_p – 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 – c_v – 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 – c_v – 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)
• C_p = 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