calculo de carga termica

TECSUP Refrigeración Industrial

Cálculo Térmico de Sistemas Industriales

3.0 CALCULO DE LA CARGA TERMICA

La carga de refrigeración total del sistema expresada en kcal/h, Kcal/h, Ton de refrigeración, watts, viene de muchas fuentes de calor (Fig. 3.1), causadas por :

- Transmisión de calor.

La diferencia de temperatura entre el aire exterior, y la temperatura del cuarto, lo cual puede causar mucha conducción del calor.

El efecto del sol sobre el techo y paredes, es calor radiante.

Infiltración de aire. El aire que entra al cuarto como un resultado de abrir y cerrar las puertas durante el trabajo normal, a través de las grietas en la construcción Y EL que puede ser introducido por razones de ventilación.

Cargas de los productos, los cuales vienen de calor(es) contenido(s) dentro del producto que se almacena; si el producto debe congelarse hay requisitos adicionales respecto al calor latente de congelamiento. Algún calor es también el resultado de cambios químicos tales como la maduración de frutas.

Cargas suplementarias causadas por cosas tales como las luces eléctricas, motores, herramientas y también la que procede de personas.

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3.1 Ganancia de calor por las paredes, techo y pisos

La ganancia de calor a través de las paredes, pisos y cielos rasos variará con el tipo de construcción, el espesor de las paredes, el área expuesta del aislamiento y la diferencia de temperaturas entre el espacio a refrigerar y el aire ambiente.

3.1.1. Conductividad térmica

El calor ganado por conducción es proporcional al tiempo de exposición, conductividad térmica, diferencia de temperatura entre el espacio refrigerado y el exterior, y el área de exposición e inversamente proporcional al espesor del material.

Donde :k : conductividad térmica, característica del material

en :

A : área expuesta en m2.T : diferencia de temperaturas entre el interior de la cámara y el medio ambiente o ante-cámara.e : espesor de la pared, en cm.Q : flujo de calor a través de las paredes, techo o piso en kcal/h.

3.1.2 Valores de conductividad térmica para materiales de construcción

Existen en el mundo, materiales que son de variable resistencia al flujo de calor a través de ellos, unas son naturales y otros creados por el hombre. Existen diferentes tipos de aislantes como asbesto, fibra de vidrio, corcho, metales reflectores, la mayoría de buenos aislantes poseen valores menores de 5.

La mayoría de estos valores de conductividad térmica se encuentran en la tabla 1: Coeficientes de transmisión de calor, en unidades :

Se ve fácilmente que para reducir la transferencia de calor, el factor de conductividad térmica (basado en la composición del material) debe ser tan bajo como sea posible y el material tan grueso como económicamente factible.La transferencia de calor a través de cualquier material está también sujeta a, y afectada por la resistencia de la superficie al flujo de calor, lo cual está determinado por el tipo de superficie (rugoso o suave); su posición (vertical u

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horizontal); sus propiedades reflexivas; y la media de flujo de aire sobre la superficie.

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Para simplificar la tarea de calcular las pérdidas de calor, la industria ha desarrollado un término llamado Resistencia (R), el cual es la oposición al flujo de calor, bien sea en un cm de material o para un espesor especificado, o de un espacio de aire, una película de aire o un conjunto completo. Su valor se expresa como grados Celsius de diferencia de temperatura por kcal por hora por metro cuadrado.

Un valor alto de R, indica bajos valores de flujo de calor. La resistencia de varios componentes de una pared pueden sumarse para obtener la resistencia total:

RT = R1 + R2 + R3 ...

En el anexo, tabla 1 se listan algunos valores de R para materiales de construcción comunes, con el fin de ilustrar la diferencia en las características dcl flujo de calor.

Ejemplo: Cuanto calor por día atraviesa la pared de concreto de cenizas de 8” de 3 x 3 m2 de área, que separa dos ambientes de 35 °C y 2 °C respectivamente. Realice el calculo de la pared sin aislamiento y con aislamiento.El aislamiento a utilizar es manta de fibra de vidrio de 15 cm de espesor.

Solución :

SIN AISLAMIENTO

Resistencia de bloque de concreto, cenizas 8” : 0,35 ( tabla 1 )

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CON AISLAMIENTO

Resistencia : Bloque de concreto, 8” : 0,35 ( Total ) Manta de fibra de vidrio : 0,25 por cm.

Como se tiene 15 cm de espesor, entonces la R de fibra de vidrio será :0,25 . 15 = 3,75 .

Sumando las resistencias :

Rt = R1 + R2 = 0,35 + 3,75 = 4,1

El ejemplo anterior demuestra el efecto acumulativo de los valores de R al determinar la resistencia total de la pared, pero también muestra dramáticamente la reducción de calor que puede alcanzarse mediante el

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aislamiento apropiado, en este caso, desde 849 kcal/h hasta 72,4 Kcal/h, lo cual reducirá drásticamente el tamaño del equipo necesario y los costos de operación resultante.

El aislamiento es el método más eficaz de reducir la transmisión de calor. Hay varios productos que se acomodan a los requerimientos de cada aplicación aunque unos son mejores que otros.

Las clasificaciones generales de las formas disponibles de aislamiento son (1) material flojo, (2) flexible, (3) rígido o semirígido, (4) reflexivo y (5) en forma de espuma.El aislamiento con material flojo se usa principalmente en estructuras residenciales. Los aislamientos flexibles tales como fibra de vidrio en mantas o en rollos (Figura 3.4), son también comunes en las construcciones nuevas y vienen con un material, tal como el papel Kraft, que actúa como barrera de vapor. Algunos están disponibles con material reflexivo, para reducir los efectos del calor radiante.

Los aislamientos rígido y semirígido (Figura 3.4) son hechos de materiales tales como lamina de corcho, poliestireno, espuma de vidrio, poliuretano, los cuales son fabricados en varias dimensiones y formas, tales como placas, láminas o bloques. Algunas tienen cierto grado de fuerza estructural, otras no. En esta categoría se encuentra la más amplia aplicación a la refrigeración comercial: enfriadores, congeladores vitrinas, etc. A causa de su densidad y composición celular, ofrecen una barrera de vapor incorporado, contra la penetración de humedad.

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Fig. 3.4 Instalación de una lámina rígida de aislamiento


El aislamiento en forma de espuma, preparado en el lugar (Figura 3.5) se usa ampliamente para llenar cavidades que son difíciles de aislar y también para cubrir recipientes, etc. donde se necesita un control efectivo de la temperatura y un sello de agua. El aislamiento tipo espuma se usa junto con los aislantes rígidos, en la construcción de cuartos refrigerados.

Independientemente del tipo de aislamiento usado, el control de la humedad es muy importante. La Figura 3.6 representa los cambios graduales de temperatura dentro del material aislante desde 32 °C (90 °F) en el exterior hasta 4 °C (40 °F) en el interior. A 32 °C (90 °F) el aire caliente tiene una temperatura de punto de rocío de 28 °C (83 °F) (temperatura de punto de rocío, es donde ocurre la condensación del vapor a liquido). Como se ilustra, cuando no hay un sello de vapor efectivo (barrera) sobre el lado caliente, el agua se condensara en el interior del aislamiento.

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Fig. 3.5

Fig. 3.6

Lado caliente : 32 °C

Lado frío : 4 °C


El agua es un buen conductor de calor; cerca de 15 veces más que la fibra de vidrio. Así, si hay agua en el aislamiento, su resistencia se verá grandemente reducida, sin mencionar el problema físico que causa en la construcción.

Por consiguiente, el aislamiento debe estar seco cuando se instala y debe sellarse perfectamente. para que permanezca seco. Los sellos de vapor pueden hacerse de varios materiales: carcasa de metal, foil de aluminio, película plástica, recubrimiento con asfalto, etc.

Algunos son más eficaces que otros y la selección depende de la aplicación. La habilidad de un material para resistir la transmisión de vapor de agua se mide en permes, un término relativo a la permeabilidad. Hay tablas con datos para varios materiales, disponibles de fuentes industriales. En general las barreras de vapor de un perm o menos son satisfactorias para trabajo de confort de calefacción o enfriamiento, en residencias.

Pero en aplicaciones de refrigeración comercial de baja temperatura, tales como congeladores, se necesitan materiales con 0,10 permes o menos. Como con el aislamiento y flujo de calor, la resistencia al flujo de vapor es una función de la composición de todos los materiales y su construcción y no únicamente de la permeabilidad de la barrera de vapor en si misma.

La eficacia del aislamiento y la barrera de vapor se reducen grandemente si existen aperturas, no importa que tan pequeñas sean. Tales aperturas pueden ser causadas por trabajo deficiente durante la construcción o por sellado negligente alrededor de aperturas para líneas de refrigerante, líneas de drenaje, alambrado eléctrico, etc., todos los cuales son parte de la responsabilidad del técnico de refrigeración.

Selección del espesor óptimo del aislamiento

Los valores adecuados para el espesor de aislamiento en mm, en función de las temperaturas de la cámara se encuentran en la tabla 2 : Espesor mínimo de aislamiento.Ejemplo : Si la cámara se encuentra a – 10 °C y el aislamiento a utilizar es poliuretano expandido ( tecnopor ) ¿ cuál es el espesor de aislamiento adecuado?

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Efecto Del Sol

El primer factor de radiación involucrado en la carga de refrigeración, es la ganancia de calor de los rayos del Sol. Si las paredes del espacio refrigerado están expuestas al Sol, el calor adicional será añadido a la carga de calor. Para facilitar la estimación de la carga, debe incrementarse el diferencial de temperatura en el valor mostrado en la Tabla 3, la cual está en grados Celsius que deben añadirse a la diferencia de temperatura normal entre las condiciones de diseño interior y exterior.

Es decir: T´= T + T” tomando T” de la tabla 3 (Corrección de temperatura por radiación solar) solo cuando la pared o techo esta soleado.Ejemplo : Si una pared tiene 200 m2 de área, la parte exterior se encuentra a 30 °C mientras que el interior está a – 10 °C. La pared es de concreto de cenizas de 8” y el aislamiento es manta de fibra de vidrio de 15 cm de espesor. Considerando que la pared se encuentra expuesta al sol y orientada al lado Este, de color ladrillo, ¿cuál será el calor que se transfiere por la pared?

Resistencia : Bloque de concreto, 8” : 0,35 ( Total ) Manta de fibra de vidrio : 0,25 por cm.

Como se tiene 15 cm de espesor, entonces la R de fibra de vidrio será :0,25 . 15 = 3,75 .

Sumando las resistencias :

Rt = R1 + R2 = 0,35 + 3,75 = 4,1

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Temperaturas De Diseño

Las condiciones de diseño recomendadas, son el resultado de extensos estudios del National Weather Bureau. Para aplicaciones de aire acondicionado y refrigeración, la máxima carga ocurre durante el tiempo más cálido. Sin embargo no es ni económico ni práctico, diseñar el equipo para la temperatura más alta que pueda posiblemente ocurrir, ya que esta temperatura pico puede durar sólo algunas horas. Por consiguiente las temperaturas de diseño escogidas son menores que aquellas.

3.2 INFILTRACIÓN DE AIRE

Cualquier aire exterior que entre al espacio refrigerado debe ser reducido a la temperatura de almacenamiento, incrementando así la carga de refrigeración. Además, si el contenido de humedad del aire que entra es superior al del espacio refrigerado, el exceso de humedad se condensará y el calor latente de condensación se añadirá a la carga de refrigeración.

A causa de las muchas variables envueltas, es difícil calcular el valor adicional ganado por la infiltración de aire. El tránsito dentro y fuera del refrigerador usualmente varía con su tamaño y volumen. Por consiguiente, el número de veces que las puertas se abren, se relacionan al volumen más bien que al número de puertas.

Algunos calculistas usan el método del cambio de aire para estimar la infiltración; este método se basa en el número promedio de cambios de aire en un período de 24 horas comparado con el volumen de la cámara. Note que esto es para cuartos sobre 0 °C. Para uso más pesado se requiere incrementar los valores al doble. Para almacenamiento a 0 °C o por debajo, el uso será normalmente menor y los valores se reducen.

Ejemplo de cálculo :

Considerando una cámara con un volumen interior de 20 m3, y una temperatura interior de 10 °C.

El aire exterior en las condiciones de diseño es de 30 °C y con una humedad relativa de 70 %.

Determine el calor ganado por la infiltración del aire exterior.

SOLUCIÓN :

De la tabla 4, considerando el volumen de la cámara de 20 m3 y que la cámara tendrá una temperatura encima de cero celsius, encontramos el número de renovaciones de aire :

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22 renovaciones / día

De la tabla 5 : Con la temperatura del cuarto de almacén ( de la cámara) de 10 °C y temperatura de entrada 30 °C y 70 % de humedad relativa, hallamos el valor de 15,84 kcal/m3 que es la cantidad de calor eliminado por m3.

3.3 CARGA DE PRODUCTO

La carga de producto es cualquier ganancia de calor debida al producto en el espacio refrigerado. La carga puede ser el resultado de un producto que viene al refrigerador de una temperatura mayor que la del área de almacenamiento, de un proceso de enfriamiento o congelación o del calor de respiración de productos perecibles.La carga total de producto es la suma de los varios tipos de carga de producto de una aplicación en particular.

3.3.1 Calor sensible sobre el congelamiento

La mayoría de los productos están a mayor temperatura que la del espacio refrigerado. Ya que muchos alimentos tienen un alto contenido de agua, su reacción a la pérdida de calor es bastante diferente sobre y bajo el punto de congelamiento. Sobre el punto de

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Volumen de la cámaraRenovación de aire diario :Volumen de la cámaraRenovación de aire diario :m3N° de renovaciones / díam3N° de renovaciones / día - + - + 2,552701006,893,047631505,474,040532004,665,035472504,15,37,528383003,74,810,024324003,14,115,019265002,83,62016,5226002,53,22514,519,58002,12,8


congelamiento el agua existe en forma líquida, mientras que por debajo, ha cambiado a hielo.

El calor específico de un producto se define como los kcal requeridos para subir 1 °C la temperatura de 1 kg de la sustancia. Los calores específicos de varios productos están listados en el anexo, tabla 7, tanto para las temperaturas por encima de congelamiento, como para la debajo.El calor que debe retirarse del producto para reducir su temperatura sobre el congelamiento, puede calcularse como sigue:

Qs = W x C x (T1 - T2) donde :

Qs = kcal que debe removerseW = Flujo del producto en kg/diaCs = Calor específico sobre el congelamiento.T1 = Temperatura inicial, °CT2 = Temperatura final, °C (de congelamiento o

conservación)

Por ejemplo: determinar el calor que debe removerse para congelar 1 000 kg de res (cuyo punto de congelamiento es de aproximadamente – 21 °C) desde 20 °C

Normalmente la cantidad de producto a enfriar viene dado en lb/hr ; lb/dia, kcal/h, kcal/dia, etc. ya que es el flujo del producto que entra y sale a una cámara en determinado tiempo el que esta generando el calor constantemente.

3.3.2 Calor latente de congelamiento

El calor latente de congelamiento para el agua es 80 kcal/kg. La mayoría de los productos alimenticios tienen un alto porcentaje de contenido de agua. Para calcular la remoción de calor requerida para congelar el producto, sólo el agua debe ser considerada.

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El calor que debe retirarse de un producto como calor latente de congelamiento puede calcularse como sigue:

QL = W x Cf

QL = kcal latente que va a ser removido.W = Peso del producto en kg/diaCf = Calor latente de fusión, kcal/kg

De tabla 7 hallamos el valor del calor de congelación : 56 kcal/kg.

3.3.3 Calor sensible por debajo del congelamiento

Una vez que el contenido de agua de un producto se ha congelado, puede ocurrir de nuevo un enfriamiento sensible en la misma forma que sobre el congelamiento, con la excepción de que el hielo en el producto hace que el calor específico cambie. Advierta en el anexo que el calor específico de la carne de res sobre el congelamiento es 0,77; mientras que el calor específico bajo el congelamiento es 0,42 kcal/kg .°CEl calor que debe retirarse de un producto para reducir su temperatura bajo el congelamiento puede calcularse como sigue:

Qb = W x Ci x (Tf - T3)

Qb = kcal/h que debe removerseW = Flujo del producto en kg/diaCi = Calor especifico bajo congelamientoTf = Temperatura de congelamientoT3 = Temperatura final

Por ejemplo, el calor que debe removerse para enfriar 1 000 kg de carne de res por debajo de congelamiento corresponde al calor a extraer desde 0 °C hasta la temperatura de congelamiento : - 21 °C

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Carga total de producto es la suma de los cálculos individuales para el calor sensible sobre el congelamiento, el calor latente de congelamiento y el calor sensible bajo congelamiento. En el ejemplo precedente de 1 000 kg de carne de res enfriadas y congeladas desde 20 hasta – 21 °C, la carga total de un producto sería:

Calor sensible sobre congelamiento 15 400 Kcal/dia =641,6 kcal/h

Calor latente de congelamiento 56 000 Kcal/dia=2333 kcal/h

Calor sensible bajo congelamiento 8 820 Kcal/dia=367,5 kcal/h

Carga total del producto 80 220 Kcal/dia = 3342,5 kcal/h

Si hay diferentes productos que van a ser considerados, deben hacerse cálculos separados para cada ítem de tal manera que se tenga un estimado preciso de la carga total del producto. Tenga en cuenta siempre que debe considerar el tiempo para el enfriamiento de una cantidad de producto: lb/hr ; lb/dia ; ton/dia , ton / semana ; etc.

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Datos De Almacenamiento

Para la mayoría de los productos hay condiciones de temperatura y humedad relativa en las cuales su calidad se conserva mejor y su vida de almacenamiento es máxima. Condiciones de almacenamiento recomendadas para productos comestibles perecederos, flores, etc., son publicados en la guía ASHRAE. donde se encontrará que las manzanas tienen una vida de almacenamiento larga (2 a 7 meses) mientras que los higos frescos pueden al-macenarse sólo varios días. Asimismo hay productos de difícil estimación como el plátano, cuyas condiciones varían ampliamente debido al calor interno generado durante el proceso de maduración.

En los cálculos anteriores no se tuvo en cuenta los recipientes usados para almacenar el producto. Algunos están en cartones, otros en cajas de madera y otros se almacenan sueltos sobre estibas. Naturalmente estos recipientes también se enfrían con el producto y por tanto usualmente se permite un factor que se añade a la carga total para enfriamiento del recipiente.

3.4 CARGA SUPLEMENTARIA

Además del calor transmitido al espacio refrigerado a través de las paredes, infiltración de aire y carga del producto, debe incluirse cualquier ganancia de calor de otras fuentes en la estimación de la carga de enfriamiento.

Cualquier energía eléctrica disipada en el espacio refrigerado a través de luces y calentadores (descongelamiento), se convierte en calor y debe incluirse en la carga. Un vatio es igual a 0,86 Kcal/hr

La gente cede calor y humedad y la carga de refrigeración resultante variará dependiendo de la duración de la ocupación en el espacio refrigerado, la temperatura, el tipo de trabajo y otros factores. La tabla 9 lista la carga de calor promedio debida a la ocupación, pero para estadías de corta duración la ganancia de calor será algo mayor.

Los motores eléctricos son otra fuente de carga de calor. Para un motor que esté realmente en el espacio refrigerado la tabla 10 da los kcal / hora de calor generado por cada HP de potencia del motor, en forma aproximada.

Los motores en el interior del espacio refrigerado pero acoplados a un ventilador o bomba que están en el interior producirán menor carga pero deben también considerarse.

La carga suplementaria total es la suma de los factores individuales. Por ejemplo, la carga total suplementaria en un cuarto refrigerado mantenido a – 10 °C hay 300 vatios de luces eléctricas, encendidas durante el tiempo que las personas permanecen en el interior, un motor de 3/4 HP que acciona un

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ventilador que trabaja 20 horas diarias, 2 personas que permanecen 3 horas diarias en el interior sería como sigue:

Carga Horaria Total

Para artículos refrigerados, como vitrinas, neveras, enfriadores, prefabricados y cajas de almacenamiento frío que se producen en cantidad, la carga normalmente se determina mediante pruebas del fabricante; el equipo de refrigeración es preseleccionado y algunas veces instalado en el aparato.

Si debe ser estimada, la carga esperada debe calcularse determinando la ganancia de calor debida a cada uno de los factores que contribuyen a la carga total. Hay muchos métodos cortos para estimar las cargas de calor para pequeños cuartos fríos. El más apropiado usa formas y datos del fabricante disponibles para tales propósitos y cada factor se considera separadamente.

El equipo de refrigeración se diseña para funcionar en forma continua y normalmente el tiempo de operación del compresor se determina por los requisitos del sistema de descongelamiento. La carga se calcula con una base de 24 horas y la capacidad horaria del compresor se determina dividiendo la carga de 24 horas, por el número de horas deseado de operación del compresor durante el periodo de 24 horas. Debe considerarse un factor de seguridad razonable para permitir que la unidad se recupere rápidamente después de un incremento en temperatura y tener en cuenta cualquier carga que puede ser mayor a la estimada originalmente.

Para cámaras frías utilizadas en refrigeración con temperaturas de funcionamiento superiores a 0 °C estimar la duración horaria del grupo frigorífico en 16 horas por día, lo cual supone un tiempo de 8 horas diarias de “desescarche” del evaporador, por el método que sea, siendo el más rentable el que no requiere aporte de energía calorífica, como resulta evidente.

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Para cámaras frías a temperatura negativa, es decir, por debajo de 0 °C, la duración del funcionamiento del equipo frigorífico suele estimarse en 18 horas diarias, siendo el resto de horas suficiente para el desescarchado con aporte suplementario de energía si hace falta.

Un factor de seguridad adicional de 5% a 10% se añade a menudo a los cálculos de carga como una medida conservativa para asegurar que el equipo no sea subdimensionado. Cuando los datos concernientes a la carga, son inciertos, esta práctica puede ser deseable, pero generalmente el hecho de que el compresor es dimensionado con base en una operación de 16 a 18 horas, en sí mismo provee un factor de seguridad. La carga debe calcularse en la base de la demanda pico en las condiciones de diseño y usualmente éstas se seleccionan en la suposición de que la demanda pico ocurrirá no más del 1% de las horas durante los meses de verano. Si los cálculos de carga son razonablemente aceptables y el equipo está apropiadamente dimensionado, un factor de seguridad adicional puede producir un equipo sobredimensionado durante condiciones livianas de carga, una situación que puede conducir a dificultades de operación.

Con esta carga térmica estimada se pueden seleccionar todos los componentes para el sistema de refrigeración así como dimensionar las tuberíasHay que tener presente sin embargo que la carga térmica estimada puede estar con otras unidades en los diferentes catálogos de fabricantes; tan es así que se puede encontrar la carga térmica tanto en kcal/hr (sistema internacional) o en Watts (algunos fabricante europeos), si esto es así, tener en cuenta la siguiente conversión:

1TON = 12000 kcal/hr = 3024 Kcal/hr (para cálculos rápidos = 3000 kcal/h)

1kcal/hr = 4 btu/hr; ó

1kw = 860 kcal/hr

1 frigoría = 1 Kcal/h

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SELECCIÓN DE EQUIPOS

3.5 SELECCIÓN DE COMPRESORES :

La selección de compresores se realiza en función de conocer los siguientes parámetros . Carga térmica. Temperatura del evaporador Temperatura del condensador Tipo de refrigerante

Por ejemplo si quisiéramos seleccionar un compresor bajo las siguientes condiciones:

Carga térmica : 38 000 kcal/h Temperatura del condensador : 40 °C Temperatura del evaporador : - 10 °C Tipo de refrigerante : R 12

En el catálogo del fabricante (anexo) elegimos el que corresponda al refrigeranteR 12. Buscamos la columna de temperatura del evaporador : - 10 °C, y buscamos el valor de la carga térmica, cruzándolo con la fila que corresponde a la temperatura del condensador : 40 °C.

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Encontramos que el valor de carga 39 860 es el que excede a nuestro requerimiento que es de 38000 Kcal/h ; que viene a ser el Modelo 6G – 30

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calculo de carga termica

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