Universidad Nacional de Ingeniería UNI-RUPAP Facultad de tecnología de la industria Ingeniería Mecánica Nombre: Franci
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Universidad Nacional de Ingeniería UNI-RUPAP
Facultad de tecnología de la industria Ingeniería Mecánica
Nombre: Francisco José García López. Docente: Ing. Mario de Jesús García Asignatura: Refrigeración y aire acondicionado Fecha de entrega: Jueves 11 de julio del 2011. Tema de trabajo: Diseño de cámara frigorífica Grupo: 5M1-MEC.
El producto a almacenar son: 18000 huevos. Las condiciones de almacenamiento para este producto pueden verse a continuación:
Temperatura de almacenamiento: 29˚F - 31˚F Humedad relativa: 80-85% Vida aproximada de almacenamiento: 5-6 meses Punto más alto de congelación: 28 ˚F Calor especifico arriba del punto de congelación: 0.73 Btu/lb ˚F Calor especifico abajo del punto de congelación: 0.4 Btu/lb ˚F Calor latente de Fusión: 96 Btu/lb Densidad aproximada de la carga del producto: 19 lb/ft³
Parámetros de diseño: Para Managua: Temperatura de bulbo seco: 92˚F Temperatura de bulbo húmedo: 79˚F Rango diario: 21˚F Para cámara frigorífica:
Temperatura exterior: 92˚F Temperatura circundante a la cámara: 87˚F, HR=60% Temperatura interior de la cámara: 32˚F Humedad relativa interior: 85% Dimensiones: 25 ft (ancho); 20 ft (largo); 9 ft (altura). Entrada diaria género: 10% de su capacidad de almacenamiento Temperatura de entrada del género: 90 ˚F
Hipótesis de cálculo: Tiempo de funcionamiento 20 h/día Condiciones de uso: trafico normal Número de personas : 2
El embalaje de huevos es bastante variable: los hay de 360 huevos, en cajas de 105*50*14 cm, o de 66*32*26 cm; de 500 huevos, en cajas de 92*40*18 cm, de 720 huevos, en cajas de 105*50*23 cm, y de 1440, en cajas de 175*35*25 cm. Y el material utilizado para el embalaje es de madera, cartón, o plástico. Según el libro de tratado practico de refrigeración automática, de Alarcón Creus, 9 edición; pagina 285. Asumiremos que el material del embalaje es de cartón, con dimensiones de cajas de 105*50*14 cm, con capacidad de 360 huevos, del cual obtenemos las siguientes propiedades: Cp= 0.3 Btu/lb ˚F Ρ= 15 lb/ft³ Existe una clasificación de acuerdo al peso para la comercialización del huevo, la cual es la siguiente: se selecciona la clase III con peso igual a 60 gramos.
Para las paredes y techo: se utilizó panales Rudnev con un coeficiente de transferencia de calor de 0.35 W/m² ˚C= 0.06164 Btu/h ft² ˚F. Para una temperatura de almacenamiento de 32 ˚F, espesor 100 mm. Seleccionado de acuerdo a la temperatura de la cámara. Ver anexo. Para la puerta: se utilizó poliestireno expandido con una conductividad térmica de 0.024 W/m ˚C, el espesor de la puerta es de 100 mm = 0.3281 ft; las dimensiones de la puerta son 2 mts X 0.8 mts = 17.222 ft². El coeficiente de transferencia de calor es: 0.04226 Btu/h ft² ˚F. La resistencia del aire estático es de 1.47 Btu/h ft² ˚F. La resistencia del aire en el interior de la cámara se calculó asumiendo una velocidad de 1 m/s, según el libro tecnología de mataderos, de Rafael López Vázquez, pagina 205. Se calcularon los coeficientes convectivos de acuerdo a la clase de transferencia de calor. De acuerdo al sentido del flujo de aire dentro de la cámara frigorífica. h₁=0.8024 Btu/h ft² ˚F h₂=0.6742 Btu/h ft² ˚F
Para el piso: se puede ver en el siguiente grafico
Hormigón: 100 mm = 0.328 ft Hormigón= 0.168 Btu/h ft ˚F U. hormigón= 0.5122 Btu/h ft² ˚F Poliestireno expandido: 50 mm = 0.164 ft Poli, expandido = 0.013867 Btu/h ft ˚F U. poli, exp. = 0.08455 Btu/h ft² ˚F Panel Rudnev de 200 mm: U = 0.175 W/m² ˚C = 0.03082 Btu/h ft² ˚F Se asumirá de acuerdo al Edward pyta. Que en el interior donde está la cámara frigorífica es 5 grados Fahrenheit menos de la temperatura de bulbo seco. 87˚F Temperatura del suelo es 12 ˚C, encontrado del grafico siguiente:
Calculo de carga térmica: Carga del embalaje: Se debe de extraer el calor sensible del material del empaque. Se calcula: (
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Dónde: (
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( ) ( ) ( ) (
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⁄
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⁄ 1 huevo pesa 60 gramos = 0.132277 lb, la densidad de este es: 19 lb/ft³; por lo cual se obtiene que el volumen de un huevo es 0.00696194 ft³, multiplicado por la cantidad de huevos en cada caja, resulta el volumen total de los huevos por caja que es de 2.506 ft³. Se calcula el volumen total de la caja con dimensiones de 105*50*14 cm = 0.0735 m³ = 2.596 ft³. Restándose el valor del volumen total de los huevos de una caja menos el volumen total de la caja se logra determinar el volumen de la caja sin ningún producto dentro, este valor es un aproximado, que asumiremos en nuestro cálculo.
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⁄
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Este peso es igual al de la caja más el de los maples de cartón. El tiempo es 20 horas de funcionamiento. Cp= 0.3 Btu/lb ˚F (
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⁄ Carga del producto: (
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) )(
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Carga por personas: Según la tabla siguiente:
Se interpola para encontrar el valor deseado para 32˚F, obteniéndose: 20688 Btu/24 horas. = 862 Btu/h Debido a que son 2 personas. El calor total es: Q. personas = 1724 Btu/h Carga por motor eléctrico utilizado para ventiladores del evaporador:
Se utilizara un motor de 2 hp, relacionado con la carga dentro del espacio refrigerado 3700 Btu/h hp (2 hp) Q. motor eléctrico= 7400 Btu/h
Según recomendaciones entre pasillos debe haber 1 m de distancia entre estantes, supondremos el volumen de los estantes es 5m³, asumiendo el 10 % de capacidad de almacenaje. El volumen total de producto de 18000 huevos en sus cajas es 3.675 m³. La dimensión del estante supondremos que son: 0.5 m*1.8 m*2.777 m El grafico de la instalación es la siguiente:
El volumen de la cámara es de 47.77 m³ = 1686.98163 ft³ Carga por iluminación: Según recomendación del libro operaciones de conservación de alimentos por bajas temperaturas, por José A. Barreiro y Aleida J. Sandoval B. página 168 y 169, que para una iluminación adecuada se recomienda colocar como mínimo de 1 a 2 watts por pie cuadrado de almacén refrigerado 2 watts/ ft² (1686.98163 ft²) = 3373.96 watts =3.374 KW Q. iluminación = 11512.435 Btu/h Carga por infiltración y apertura de puertas: (
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Dónde:
( (
) ) ( (
( ⁄ ) ⁄ ) ⁄ )
Las propiedades termodinámicas del aire se pueden estimar utilizando la carta psicométrica, con los valores de temperatura bulbo seco y humedad relativa. (Densidad, entalpia) 32˚F; HR: 85%, → hd = 11.2 Btu/lb 87˚F; HR: 60%, → hf= 28.4 Btu/lb Rdo = 0.08032 lb/ ft³ CA: se encuentra extrapolando de la tabla anterior: 11.342 cambios de aire /día FU: 1 (
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)( )(
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⁄ ⁄ Carga pared 1:
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⁄ Carga pared 2 y 4:
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⁄ ⁄ Carga pared 3:
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⁄ Carga techo:
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⁄
)(
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⁄ Carga puerta:
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(
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⁄
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⁄ Carga piso:
[
(
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)(
)(
)
⁄
⁄
Carga total de enfriamiento: ∑ ⁄
∑
(
∑
⁄ )
⁄ 1 ton de refrigeración = 12000 Btu/h La carga de enfriamiento es de 10.492 toneladas de refrigeración. Elección del refrigerante: Se opta por la utilización de uno de los refrigerantes ecológicos (R-134a y R404A). Estos refrigerantes no producen agotamiento de la capa de ozono. Análisis comparativo de los refrigerantes: La temperatura de condensación debe ser mayor que la temperatura del medio condensante (para que se produzca la condensación). Según DOSSAT (1980), en la práctica la diferencia de temperatura entre el medio condensante y la temperatura de condensación fluctúa entre el 8˚C y el 20˚C. Temperatura de condensación: temperatura bulbo seco del exterior + (8 a 20 ˚C) T bulbo seco= 87˚F≈ 31˚C Tc= 31˚C + 14˚C = 45˚C Se selecciona una diferencia de temperatura o salto térmico en el evaporador de 5˚C DT = Tcons – To → Dónde:
DT: salto térmico Tcons: temperatura de conservación To: temperatura de evaporización
To = Tcons – DT = 0˚C – 5˚C To = –5˚C Por lo tanto, las condiciones de trabajo a las que estará sujeto el fluido refrigerante son una temperatura condensante de 45˚C y una temperatura de evaporización de –5˚C
Efecto refrigerante: Dado que la temperatura del líquido refrigerante a la salida del condensador es 45˚C y la temperatura de vaporización correspondiente es –5˚C, la temperatura del refrigerante deberá reducirse primero hasta la temperatura de vaporización antes que el líquido pueda vaporizarse en el evaporador. Por tal motivo, al calor latente de vaporización debe restársele el calor sensible para que el refrigerante liquido pase de una temperatura de 45˚C a –5˚C. El resultado para el enfriamiento del líquido de cada refrigerante en particular, es mostrado en la siguiente tabla: Calor requerido para bajar la temperatura de líquido. Refrigerante
Entalpia líquido a 45˚C, Entalpia líquido a –5˚C, Entalpia liquido KJ/Kg KJ/Kg enfriamiento, KJ/Kg
R134a R404A
115.8 272.965
182.37 192.47
66.57 80.495
Tabla: Comparación del efecto refrigerante, flujo de masa y volumen de los refrigerantes propuestos. Refrigerante
R134a R404A
Efecto refrigerante real KJ/Kg 135.765 121.840
Carga a remover KJ/s
Masa refrigerante Kg/s (Kg/h)
37.583 37.583
0.2768 (996.48) 0.3084 (1110.24)
Volumen vapor m³/h 82.511 43.444
El trabajo teórico que debe realizar el compresor es equivalente al calor teórico de compresión. La suma entre el trabajo efectivo realizado por el compresor y el efecto refrigerante real (capacidad del evaporador por kg. De refrigerante), indica el calor teórico que debe ser eliminado por el condensador. En la siguiente tabla: Refrigerante R134a R404A
Capacidad teórica del evaporador (KJ/Kg) 135.765 121.840
Trabajo teórico del Capacidad del compresor (KJ/Kg) condensador (KJ/Kg) 25.845 161.610 20.475 142.315
La capacidad total en KJ/h del evaporador, compresor y condensador, se pueden obtienen del producto entre la masa refrigerante circulada por unidad de tiempo y el efecto refrigerante, trabajo teórico del compresor y capacidad teórica del condensador en el cuadro siguiente: Refrigerante R134a R404A
Efecto refrigerante teórico (KJ/h) 132839.28 132839.28
Trabajo teórico compresor (KJ/h) 25754.025 22732.164
del Capacidad teórica del condensador (KJ/h) 158593.305 155571.444
de
De este análisis se concluye que se debería elegir el R404A, debido a que requiere un menor trabajo del compresor. Y tiene un COP mayor que el de R134a. Ahora sabemos que nuestra carga de enfriamiento es de: 125907.47 Btu/h = 36.8998 KW Selección de la unidad condensadora: La capacidad que se requiere para la unidad condensadora es de 36.8998 KW, por lo que se elige aquella que presente el mayor rendimiento según el refrigerante empleado, la elección de la unidad condensadora se realiza con la temperatura de evaporización y la temperatura ambiente. Se escoge una unidad condensadora para R404A, modelo SA 25 71V- Y/2, que posee una potencia frigorífica de 37.360 KW, para las condiciones de trabajo requeridas (temperatura de evaporización de -5˚C, y temperatura ambiente de 32˚C ≈ 33.33˚C Las características de la unidad condensadora seleccionada se muestran en los anexos. Selección del evaporador: Dadas las características de la cámara de refrigeración se opta por un evaporador de convección forzada, el más usado para este tipo de instalaciones. Para la selección del evaporador se considera un DT de 5˚C, con la que se puede mantener el nivel de humedad relativa de 80- 85 %, según el fabricante, en evaporadores de convección forzada. Se escoge una temperatura de evaporización de -5˚C, y se utiliza un factor de corrección de, según una frecuencia de deshielos igual a 1, con lo cual este factor es igual a 0.99. Ver anexo
Potencia corregida= 36.8998 KW * 6˚C/5˚C*0.99 Potencia corregida =44.727 KW = 45 KW De la cual se selecciona un evaporador cubico modelo HD 11, que para una temperatura de evaporización de -5˚C tiene una capacidad frigorífica de 16050 watts, DTM= 6˚C, se utilizaran 3 evaporadores para cumplir con la carga de enfriamiento. Anexos especificaciones de evaporadores