Misura del carico termico


Formula del calore specifico

Per scegliere il prodotto adeguato al sistema di raffreddamento di un'applicazione, il primo passo da fare è determinare il carico termico, vale a dire la quantità di calore generata dal sistema. In questo articolo vedremo come determinare il carico termico di un'applicazione con sistema di raffreddamento a liquido.

Un metodo rapido per ottenere una stima approssimativa del carico termico è assumere che tutta l'energia elettrica in ingresso a un processo venga convertita in calore. Secondo il 1° principio della termodinamica, l'energia in uscita da un sistema non può mai essere maggiore di quella in entrata. Una stima prudente è assumere che il carico termico coincida con la quantità di energia elettrica utilizzata quando questa sia l'unica energia in ingresso al sistema.

Per determinare il carico termico in maniera più accurata, si può invece ricorrere alla formula: Q = m x Cp x ΔT, dove:

Q = carico termico (BTU/hr)
m = portata massica (lb/hr)
Cp = calore specifico (BTU/lb °F)
ΔT = variazione di temperatura (°F)




Realizzazione dei test per il calcolo del carico termico



Per determinare Q, nella formula sopra, è necessario ottenere sperimentalmente i valori m e ΔT. Per misurare tali valori avremo bisogno dei seguenti strumenti:

Quantità

Strumento

Precisione consigliata

2

Termocoppia tipo "T"

± 0,2°F

1

Misuratore di portata a turbina

± 1% precisione di lettura



Le termocoppie e il misuratore di portata possono essere utilizzati per misurare la variazione di temperatura del fluido e la portata del liquido di raffreddamento con il sistema sotto carico massimo (figura 1). Utilizzando il calore specifico del fluido (si possono consultare le caratteristiche dei fluidi più utilizzati nella Guida di riferimento termica della nostra Biblioteca tecnica) e la formula sopra, si può calcolare il carico termico.

La precisione delle termocoppie e del misuratore di portata è particolarmente importante, in quanto una piccola diminuzione della precisione può dar luogo a una percentuale di errore elevata. Ad esempio, se la temperatura aumenta di 10°F e le termocoppie hanno una precisione di ±0,5°F, l'errore nella misura dell'aumento di temperatura può arrivare a 1°F, cioè un errore del 10%. Ne consegue che tutto il calcolo del carico termico avrà una precisione di ±10%. Se l'aumento di temperatura è minore di 10°F, la tolleranza di ±0,5°F dà luogo a un errore percentuale ancora più grande. Con la temperatura espressa in °F o °C, l'errore percentuale può essere calcolato moltiplicando per due la tolleranza della termocoppia, dividendo il risultato per la temperatura e infine moltiplicando per cento il valore ottenuto.

È consigliabile calibrare le due termocoppie prima di effettuare le misurazioni. Nel caso ciò non sia possibile, si può confrontare la precisione di una di esse con l'altra facendo passare dalle termocoppie un fluido senza carico termico. Se le temperature sono uguali, si può utilizzare il valore dell'incremento di temperatura sotto carico massimo. Altrimenti, nell'effettuare le misurazioni sotto carico massimo, è necessario tenere in considerazione la differenza di temperatura in assenza di carico termico tra le due termocoppie. Tale valore può essere ottenuto sottraendo dalla differenza di temperature sotto carico termico la differenza di temperatura in assenza di carico termico. Per esempio, se le temperature delle due termocoppie in assenza di carico termico sono rispettivamente di 20°C e 20,5°C, e sotto carico termico rispettivamente di 25°C e 30,5°C , la differenza di temperatura risultante sarà: (30,5-25)-(20,5-20) = 5°C.

Se non si dispone di un misuratore di portata, si può determinare la portata del fluido con un contenitore graduato e un cronometro, misurando la quantità di fluido che ha attraversato il sistema e dividendola per il tempo trascorso. Se si misura la portata con questo metodo, è essenziale che la essa sia costante. Per convertire la portata volumetrica in portata massica si utilizza la densità del fluido.

I metodi analizzati per la misura del carico termico sono applicabili a qualsiasi applicazione di raffreddamento a liquido e possono essere utilizzati anche per dimensionare un refrigeratore a ricircolo, una piastra di raffreddamento o uno scambiatore di calore.


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