1 1 1Ingeniería Termodinámica Ing. Verónica Osorio González
[email protected] [email protected] Unidad 8. Diseño de un Sistema de Refrigeración. 2 2 Objetivo • El alumno diseñará de manera preliminar, un sistema de refrigeración por compresión mecánica y una cámara frigorífica. • También podrá hacer una selección preliminar del equipo necesario para los dos sistemas mencionados. 3 3 Unidad 8. Diseño de un Sistema de Refrigeración. Temas 8.1. Condiciones básicas de operación del ciclo de compresión. 8.1.1. Criterios prácticos para establecer la temperatura de condensación. 8.1.2. Criterios prácticos para establecer la temperatura de evaporación. 8.1.3. Selección del refrigerante. 8.1.4. Etapas de compresión en serie deseables de acuerdo a las condiciones de trabajo. 8.2. Dimensionamiento de la cámara frigorífica. 8.2.1. Criterios prácticos para establecer las dimensiones de un almacén refrigerado. 8.3. Problemas de aplicación. 4 Bibliografía • Principios de refrigeración, Roy J. Dossat, 16 reimpresión, Compañía Editorial Continental, S. A. de C. V., Capitulo 10 Calculo de la carga de enfriamiento, paginas 187 a 226. • Apuntes de termodinámica_Todo el curso .pdf, Autores G.Calderón-Domínguez, R.Farrera-Rebollo Capitulo 7, páginas de 121 a 124. 5 Carga de refrigeración • Se mide en toneladas de refrigeración (Ton ref.) y corresponde a la cantidad de energía que es necesario extraer para congelar una tonelada corta ( 9,072 Kg) de agua a hielo a 32ºF . • El tonelaje de refrigeración es una medida comercial del requerimiento de enfriamiento y del tamaño de los equipos de refrigeración. También a partir de este dato se puede llevar a cabo una selección preliminar de los refrigerantes. 6 Ejemplo • Calculo y Dimensionamiento de una Cámara de Refrigeración para Mango 7 Diseño de un Sistema de Refrigeración Paso 0 Introducción • Características. • Importancia Económica y Distribución Geográfica. • Usos. • Temperatura del cultivo. • Conservación. • Duración del almacenaje y condiciones del mismo. • Valor nutrimental. • Proceso. 8 Introducción • El mango por su capacidad de adaptación a diferentes condiciones adversas, es uno de los frutales más ampliamente distribuidos en el país; por lo que la mayor parte de la producción nacional proviene de huertos de traspatio, sin embargo existen pocos huertos comerciales. 9 Importancia Económica y Distribución Geográfica • La importancia económica real del mango estriba en el tremendo consumo local que se realiza en cada villa y ciudad de las tierras bajas de los trópicos, ya que se trata de una de las plantas más fructíferas de los países tropicales. Esta especie se cultiva en todos los países de Latinoamérica, siendo México el principal país exportador del mundo. 10 Productores de Mango 11 Exportación de Mango 12 Producción en México 13 Producción en Veracruz Del Municipio Temperatura Promedio Temperatura del piso % Humedad 14 Usos • El mango es consumido en gran parte en estado fresco, pero también puede ser utilizado para preparar mermeladas y confituras. • Actualmente se está empleando bastante en la industria farmacéutica. 15 Temperatura de cultivo El mango prospera muy bien en un clima donde las temperaturas sean las siguientes: • Invierno ligeramente frío (temperatura mínima de 10°C). • Primavera ligeramente cálida (temperatura mínima superior a 15°C). • Un árbol de buen desarrollo puede soportar temperaturas de dos grados bajo cero, siempre que éstas no se prolonguen mucho tiempo. Un árbol joven, de dos a cinco años, puede perecer a temperaturas de cero y un grado centígrado. 16 Conservación • Si se cosecha madura mantiene sus buenas condiciones durante cinco días a temperatura ambiente (20°C 25°C); cosechada en las mismas circunstancias, aguanta diez días sin estropearse a temperaturas de 8°C pero si se recoge en el momento oportuno, que es cuando aún está verde, pero tienen ya el tamaño adecuado, con un peso aproximado de 175 a 250 gramos, se mantienen las buenas cualidades de la fruta hasta veintisiete días, si se somete a temperaturas de 8°C. 20°C 25°C 5 días cosecha madura 8°C 10 días cosecha madura 27 días cosecha verde 17 Conservación • La conservación se mejora si los frutos son sometidos a un pretratamiento por calor, a 38°C, antes de su almacenamiento a bajas temperaturas (5°C). • En caso contrario desarrollan daños por bajas temperaturas mucho más rápidamente. 38°C Pretratamiento por calor 5°C Almacenamiento 18 Conservación • Las técnicas actuales sobre conservación post cosecha de los frutos de mango tienden al control conjunto de la humedad (>95%), aire caliente (T° entre 47 49° C) y tratamientos fungicidas en momentos puntuales para minimizar los daños causados por plagas y enfermedades. 47 a 49 °C Aire caliente Humedad >95% 5°C Almacenamiento 19 Duración del almacenaje • Los mangos, como muchas otras frutas tropicales y subtropicales, se dañan por las bajas temperaturas durante el almacenaje. • La temperatura de tránsito recomendada varía según las áreas de producción entre 10 y 13 °C del nivel bajo, el riesgo de daño por frío aumenta. 10 a 13°C Almacenamiento 20 Duración del almacenaje • A 13° C el proceso de maduración no se para completamente y el período de almacenaje se reduce. • Como con casi todas las frutas, la atmósfera controlada, la eliminación de etileno o el sellado de frutas individuales en bolsas de plástico de permeabilidad controlada, alargan el período de almacenaje bajo condiciones de laboratorio. 10 a 13°C Almacenamiento 21 Duración del almacenaje • Largos almacenajes, especialmente a bajas temperaturas disminuyen el contenido de azúcar y ácido de las frutas. • Los problemas de calidad son evidentes tras el transporte de la fruta por barco, cuando el tiempo transcurrido entre la recogida y el consumo alcanza los 35 días. 22 Duración del almacenaje • Mangos recién recogidos, almacenados a 18 a 22° C alcanzan el estado blando comestible en 8 a 10 días. 18 a 22°C Almacenamiento 8 a 10 días Alcanzan el estado blando comestible 23 Valor Nutricional • Los frutos del mango constituyen un valioso suplemento dietético, pues es muy rico en vitaminas A y C, minerales, fibras y antioxidantes; siendo bajos en calorías, grasas y sodio. • Su valor calórico es de 6264 calorías /100 g de pulpa. •En la siguiente tabla se muestra el valor nutritivo del mango en 100 g de parte comestible. 24 Proceso 25 Diseño de un Sistema de Refrigeración Paso 1 Seleccionar las condiciones de operación internas de la cámara de refrigeración. • Temperatura. • Humedad relativa para el producto. Estos datos normalmente dependen del producto a conservar o de la temperatura mínima que se desea alcanzar en la cámara. 26 Datos técnicos y propiedades del mango 13 o C 82.4 – 89.6 o F 27 Diseño de un Sistema de Refrigeración Paso 2 Determinar la carga de refrigeración. El cálculo de la carga total se realiza sumando todas las cargas parciales. Q Total = Q paredes + Q aire + Q producto + Q varias 28 Carga por paredes • Es función de tres factores: • A= Área de la superficie de la pared externa (pie 2 ) • U =Coeficiente de trasmisión de calor (BTU / hr pie 2 o F) • ΔT = Diferencial de temperatura a través de la pared ( o F) • Q = A U ΔT (Cantidad de calor transferida en BTU / hora) 29 Definir La localización de la cámara. ¿Esta dentro del edificio? ¿A que pared le da el sol? U = Depende del material de la paredes X = Espesor del material Q Área T = Cámara T = Exterior 30 Carga por cambio de aire Volumen interior del aire Área de la cámara y espesor de las paredes Temperatura almacén, temperatura del aire, humedad relativa Volumen de la cámara Tipo de uso promedio o pesado 31 Carga de producto (Tiempo de enfriamiento)(factor de rapidez de enfriamiento) Al utilizar el factor de rapidez de enfriamiento: 32 Carga de producto congelado 1. El calor cedido por el producto al enfriarse desde su temperatura de entrada hasta su temperatura de congelación. Donde m= masa del producto Cp= Calor especifico antes del congelamiento. ΔT = T entrada –T congelación 33 Carga de producto congelado 2. El calor cedido por el producto durante su solidificación o congelación. Donde m= masa del producto h if = Calor latente del producto en BTU por libra. Q = m h if * 24 = m Δh if * 24 34 Carga de producto congelado 3. El calor cedido por el producto para enfriarse desde su temperatura de congelación hasta su temperatura final de almacenaje. Donde m= masa del producto Cp= Calor especifico después del congelamiento. ΔT = T congelación –T final 35 Calor de respiración • La cantidad de calor involucrada en el proceso de respiración depende del tipo de producto y de la temperatura de almacenamiento. Dossat presenta en la tabla 10-13 una lista de valores de calor de respiración para diferentes tipos de frutas y vegetales. • Esta carga se calcula multiplicando el valor del calor de respiración (ΔH) por la masa de producto almacenado y se lleva a una base de cálculo de 24 h de proceso, en otras palabras se expresa por día. Q= m* (ΔH) *24 + Calor Temperatura de almacenamiento superior a la temperatura de congelación 36 Calor de recipientes y materiales de empaque Q = m Cp ΔT m = Masa del empaque. Cp = Capacidad calorífica del empaque. ΔT = Diferencia de temperaturas entre la inicial del empaque y la de diseño. En algunos casos se suma directamente a la carga del producto por enfriamiento. 37 Cargas varias Estas cargas representan todas aquellas fuentes de energía adicionales a las mencionadas como serían: a) Cargas por personas. b) Cargas por luces o alumbrado. c) Cargas por equipo. 38 Carga por alumbrado Cantidad de lámparas Watt por lámpara 39 Carga por motores eléctricos Cantidad de equipos y donde están ubicados Cantidad de HP para cada equipo Cantidad de horas de uso del equipo 40 Carga por personas Datos Dato 41 Cargas Varias • Para obtener las cargas varias se realiza la sumatoria de las cargas por alumbrado, motores y personas. Q varias = Q alumbrado + Q motores + Q personas 42 Carga Total El cálculo de la carga total se realiza sumando todas las cargas parciales. Q Total = Q paredes + Q aire + Q producto + Q varias 43 Uso del factor de seguridad • La carga de enfriamiento total, para un período de 24h es la suma de las ganancias de calor. Es práctica común agregar de un 5 a un 10% a este valor como factor de seguridad. El coeficiente a usar depende de la confiabilidad de la información usada en los cálculos de la carga de enfriamiento. Como regla general se recomienda utilizar un 10%. 44 Ejemplo de Mango: Carga Total 45 Diseño de un Sistema de Refrigeración Paso 3 Selección preliminar de refrigerantes. ¿Qué criterios utilizarías para seleccionarlo? 46 Selección del refrigerante • El refrigerante HCF – 134a tiene un temperatura critica que es igual a 101.08 °C, superior a la temperatura de condensación (determinada en el siguiente capitulo) y de la misma forma la temperatura de evaporación es mayor a la de ebullición del refrigerante (- 26.6 °C) a la presión atmosférica. • Entonces el refrigerante a ser seleccionado por las razones antes expuestas será el HCF – 134a. Temperatura crítica =101.08 °C Temperatura de ebullición = - 26.6 °C Temperatura de evaporación Temperatura de condensación 47 Diseño de un Sistema de Refrigeración • Paso 4 Establecer las condiciones de operación del evaporador y del condensador. Evaporador Condensador 48 Temperatura de Evaporación • Esta se determina en función de la temperatura de la cámara y la humedad relativa, los cuales se fijan a su vez en función del tipo de producto a almacenar o enfriar. Normalmente deberá existir una diferencia de temperaturas entre el refrigerante y el aire de la cámara de 8 a 16ºF. Diferentes valores se presentan en el siguiente cuadro. Temperatura Humedad ΔT ΔT en cámara relativa ºF % ºF ºC 25-45 90 8 a 12 4.44 a 6.67 25-45 85 10 a 14 5.56 a 7.78 25-45 80 12 a 16 6.67 a 8.89 25-45 75 16 a 22 8.89 a 12.22 < 10 15 o menos 8.33 o menos 49 Temperatura de Evaporación • La diferencia de temperaturas es la relación entre la temperatura de la cámara y la temperatura de evaporación. A partir de esta relación se determina la temperatura de evaporación. ΔT = Td - Te Donde: Te : Temperatura en el evaporador (ºF) Td : Temperatura de diseño (ºF) La temperatura de evaporación seleccionada será independiente del refrigerante y además deberá satisfacer el requerimiento de presión. El límite mínimo práctico para el refrigerante en el evaporador es de 0.8 a 1.0 Kg/cm2 manométricos. 50 Ejemplo de Mango: Temperatura de Evaporación • El factor a considerar para la selección de la temperatura de evaporación es la humedad relativa a la que se deberá encontrar el medio a enfriar en la Tabla IV (5), encontramos los rangos de diferencia de temperatura entre la temperatura de almacenamiento y la temperatura de evaporación, tomando en cuenta la humedad relativa. • En este caso con una humedad relativa de 85% para evaporadores de tubos con aletas, la diferencia de temperatura recomendada varía entre 7 y 8 °C. (5) • T EVAPORACIÓN = T ALMACENAMIENTO - ΔT • T EVAPORACIÓN = 13 °C – 8 °C • T EVAPORACIÓN = 5 °C 51 Temperatura de Condensación • Esta depende del tipo de medio de enfriamiento utilizado, la temperatura ambiente de diseño y el menor tamaño posible de condensador. • Para aire se recomienda una diferencia de temperaturas de 10 a 30 ºF, utilizándose la diferencia más baja para aplicaciones de baja temperatura y la más alta, para aplicaciones de alta temperatura. • Si se utilizará agua como medio de enfriamiento se recomienda que la temperatura de condensación sea entre 90-120ºF, siendo este último el límite máximo. La diferencia de temperatura recomendable entre el refrigerante y el medio de enfriamiento en el condensador es de 15 a 25ºF y el límite máximo de presión es de 18 Kg/cm2 manométricos. 52 Temperatura de Condensación • Para determinar la temperatura de condensación se partirá del dato conocido de la temperatura ambiente, entonces para condensadores enfriados por aire, la temperatura de condensación tendrá un ΔT mayor a la temperatura media en el rango de 10 a 15 °C. (5) • T CONDENSACIÓN = T MEDIO + ΔT • T CONDENSACIÓN = 45 °C 53 Diseño de un Sistema de Refrigeración • Paso 5 Proponer los ciclos de refrigeración para cada uno de los refrigerantes. Evaporador Condensador 54 Diseño de un Sistema de Refrigeración Paso 6 Seleccionar el refrigerante en función de criterios termodinámicos. Una vez establecidos los ciclos básicos para cada refrigerante se procede a calcular los parámetros termodinámicos de evaluación del ciclo como serían: • E.N.R. • Trabajo del compresor • COP • Masa de refrigerante • Potencia del compresor. • Relación de compresión. 55 Diseño de un Sistema de Refrigeración Paso 7. Proponer las modificaciones al ciclo que genere el equipo más adecuado y cumpla con los requerimientos estipulados. Esto involucra también equipo en serie o paralelo (compresores, evaporadores, condensadores, subenfriadores, entre otros). 56 Ejemplo Manzanas • Se quieren almacenar 700 toneladas de manzana en refrigeración. La manzana proviene de Chihuahua, Coahuila y Durango y llega a la planta a una temperatura promedio de 45ºC que corresponde a la del ambiente. La humedad relativa en este lugar es de 40%. Las manzanas provienen del campo y al llegar a la planta se realiza una preselección y un lavado con agua, lo que permite un prenfriamiento, alcanzando las manzanas en promedio una temperatura de 30ºC. Una vez realizado este lavado, la manzanas se empacan en cajas de cartón, envolviendo individualmente cada manzana en papel de china. La caja de manzanas pesa en promedio 24 Kg, lo cual incluye el peso de la caja de cartón sola (0.85 Kg), la del papel (1.5 g) y la de las manzanas (0.2 Kg en promedio). Cada caja mide: 80 cm de largo, 50 cm de ancho y 40 cm de alto. 57 Ejemplo Manzanas • Las manzanas llegarán a la planta en trailers, los cuales cargan en promedio 20 toneladas. Se pueden recibir diariamente 7 trailers, lo que equivale a 140,000 Kg de manzana. • La manzana se lleva a una cámara de refrigeración en donde se enfría desde 30 hasta 0ºC en 24 h y posteriormente se pasarán a la cámara de almacenamiento donde se conservarán a 0ºC. • Tanto en el enfriamiento como en el almacenamiento las cajas de manzana se acomodarán en tarimas de madera de 1.5 m por 2.0 m, pesando cada tarima 35 Kg y con una capacidad de estibaje de 5 cajas 58 Ejemplo Manzanas • En función de los datos técnicos que se presentan a continuación determine para ambas cámaras: a.- Carga de refrigeración. b.- Refrigerante apropiado (Compare, R-11, R-12, R-134a, R-22 y Amoniaco). c.- Ciclo de refrigeración adecuado (incluya modificaciones y utilice un sólo refrigerante). • Cp manzana: 3.85 Kj/Kg K • Cp papel : 1.38 Kj/Kg K • Cp cartón: 0.84 Kj/Kg K • Cp madera pino: 2.5 Kj/Kg K • ΔHresp = Ver tabla. • No. de cambios de aire:1.3 cambios por día. 59 Ejemplo Manzanas • U = 0.045 B.t.u. /h ft2 ºF: Tanto paredes, pisos y techos están construidos con el mismo material. • La cámara de enfriamiento tiene un largo exterior de 64 mt, ancho de 25 mt y una altura de 8.5 mt. Se utilizarán dos montacargas y 330 lámparas de 120 w cada una. Los montacargas trabajarán durante 2.5 h al día (cada uno) disipando cada uno 3.5 x 104 B.t.u/h. Las lámparas también estarán encendidas en la cámara de refrigeración por las mismas 2.5 h/día. Para evitar desecación sólo se utilizará un ventilador de 3 HP de potencia el cual estará encendido durante todo el día. • Para la cámara de almacenamiento considere una cuarta parte de las lámparas prendidas por 6 horas al día, uno sólo montacargas y el mismo ventilador encendido durante todo el tiempo y el mismo tamaño de almacén