Guía básica para calcular sistemas de calentamiento de procesos (2ª PARTE)

f)     Volumen requerido en los sistemas de calefacción por aire forzado

A menudo es conveniente calentar edificios con aire. Los sistemas de calentamiento por aire si bien no son los más eficientes pueden ser efectivos en costes si se hacen simples o si se combinan con un sistema de ventilación. Debemos no obstante ser conscientes que debido a la baja capacidad específica del aire el uso del aire para propósitos de calefacción es muy limitado. Las cargas térmicas grandes requieren grandes volúmenes de aire resultando conductos y ventiladores enormemente sobredimensionados.

El volumen de aire en un sistema de calentamiento de aire puede calcularse como:

Donde

• L = Caudal de aire (m³/s)
• Q = Pérdidas de calor del edificio (kW)
• c_p = Capacidad calorífica específica del aire - 1.005 (kJ/kg^oC)
• ρ = Densidad del aire - 1.2 (kg/m³)

• t_h = Temperatura del aire de calentamiento  (^oC)
• t_r = Temperatura de la habitación (^oC)

Como norma de diseño la temperatura de suministro de calor estará en el rango de 40 – 50 ºC. El caudal de aire estará en el rango de 1-3 veces el volumen de la habitación.

g)     Entradas y salidas de aire en proyectos de ventilación

Cuando trabajamos con procesos térmicos con aire caliente es necesario prever la entrada y salida del aire de ventilación. Algunos criterios de diseño son los siguientes:

Entrada    

• entradas estarán al menos a 0,15 m sobre el terreno. En áreas con tráfico se colocarán al menos a 5 m.
• Deben colocarse en una posición donde no les influyan las condiciones de viento y de presión.
• Las velocidades de aire en las aperturas de admisión no serán superiores a 2,5 m/s.

Salida

• Las salidas de aire irán a un área sin restricciones.
• Deben colocarse en una posición donde no les influyan las condiciones de viento y de presión.
• La velocidad de aire a la salida no excederá de 3 – 15 m/s.

En la siguiente gráfica vemos la capacidad aproximada que obtenemos en función del tamaño nominal (cfm es cubit foot per minute y su conversión puede consultarse aquí). 

h)      Velocidad del aire en conductos

La velocidad de circulación del aire en los conductos debe estar convenientemente calculada para disminuir las pérdidas de carga y evitar el ruido. En la siguiente tabla mostramos valores comunes de velocidad de aire en conducto en algunas aplicaciones típicas.

Conductos de aire	Velocidad del aire en m/s
Conductos de aire de combustión	12-20
Entrada de aire en sala de calderas	1-3
Aire caliente para calentar viviendas	0,8-1
Tubería de limpieza de vacío	8-15
Tubería de aire comprimido	20-30
Conductos de ventilación (hospitales)	1,8-4
Conductos de ventilación (oficinas)	2-4,5

En el siguiente diagrama se indica la velocidad y presión dinámica en conductos de aire.

i)     Diagrama de pérdida de fricción en conductos de aire

La pérdida de fricción en los conductos de aire podemos calcularla a partir del siguiente diagrama. A partir del caudal en m₃/s, y para distintas dimensiones en mm podemos calcular las pérdidas en mm H₂O. 

e)     Aire requerido para quitar la humedad

El aire requerido para quitar la humedad o vapor producido en un recinto puede calcularse de la siguiente forma:

Donde:

•  L = Caudal de aire requerido (kg/h).
• G = Producción de humedad o vapor (kg/h).
• x_r = ratio humedad aire de la habitación
• x_m = ratio humedad aire de reposición (kg_H2O/kg de aire seco).

4.      Pérdidas en envolventes

a)     Transporte de humedad a través de paredes y techos de los edificios  

La humedad fluye de un lado de una pared o techo si la presión parcial de vapor es más alta en un lado que en otro. La presión de vapor depende de la humedad relativa del aire.

El flujo de humedad puede expresarse como:

Donde:

•  q_m= flujo de humedad (kg/sm²)
• p₁= presión parcial de vapor (Pa)
•  p₂ = presión parcial de vapor (Pa)
• Z= Coeficiente de difusión (Pa s m²/kg)

Los coeficientes de difusión para algunos materiales comunes son los siguientes:

Material	Diffusion Coefficient - Z
	GPa s m2/kg	GPa s m2/kg m
Láminas de aluminio	5000
Revestimiento asfáltico 1	150
Revestimiento asfáltico 2	2000
Papel asfáltico, 0.5 kg/m2	750
Papel asfáltico, 2.5 kg/m2	1700
Hormigón		150
Yeso		40
Vidrio		infinite
Mortero		80
Corcho		100
Papel pintado	0.3
Air en calma		5
Metales		infinite
Lana de roca		5
Polietileno	125
Poliestireno		75
Ladrillo		25
Panel de yeso, duro		500
Panel de yeso, blando		15
Pintura de pared, mate	2-5
Pintura alquídica	20 - 40
Pintura de aceite	10

5.      Sistemas de agua caliente

a)     Cálculo de la evaporación de superficies de agua

La evaporación de agua de una superficie de agua, tal como un tanque abierto, depende de la temperatura del agua y la temperatura del aire, la humedad actual del aire y la velocidad del aire sobre la superficie. La cantidad de agua evaporada se exprese con la siguiente ecuación empírica:

Donde:

• g = Cantidad de agua evaporada (kg/h).

• v =  Velocidad del aire por encima de la superficie del agua (m/s)
• A = Área de la superficie del agua
•  x_s = Ratio de humedad en aire saturado a la misma temperatura que la superficie del agua (kg/kg) (kg H₂O en kg de aire seco).
•  x = ratio de humedad en el aire (kg/kg) (kg H₂O en kg aire seco)

El cálculo de x y x_s puede revisarse aquí.