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ANALISIS DE TRANSFERENCIA DE CUARTOS DE FRIOS. ESTUDIANTES: ARIAS PABLO LEÓN EDWIN MOGROVEJO BYRON QUITUISACA JUAN

DOCENTE: ING. NELSON JARA

FECHA: 25 de jul. de 19 PERIODO LECTIVO: MARZO – AGOSTO 2019

Contenido 1.

INTRODUCCION..........................................................................................................................3

2.

MARCO TEORICO……………………………………………………………………………………………………………………3

3.

OBJETIVOS..................................................................................................................................4

4.

3.1.

Objetivo General................................................................................................................4

3.2.

Objetivo Especifico.............................................................................................................4

IDENTIFICACION DEL PROBLEMA...............................................................................................4 4.1.

Identificación de datos.......................................................................................................4

4.2.

Descripción del problema...................................................................................................5

5.

CALCULOS DE CALCULOS DE RECHAZO NECESARIO....................................................................6

6.

CALCULOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR........................................................................11

7.

CALCULO POR SOFTWARE........................................................................................................13

8.

RESULTADOS.............................................................................................................................14

9.

CONCLUSIONES........................................................................................................................15

1. INTRODUCCION El intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, encontrándose éstos en contacto o separados por una barrera sólida. Se trata de componentes 2

esenciales en los sistemas de climatización o refrigeración, acondicionamiento de aire, producción energética y procesamiento químico.[1][2] El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas y separado para una pared sólida se realiza en dispositivos denominados intercambiadores de calor. Estos procesos se dan en muchas aplicaciones de ingeniería.[3][4] Los intercambiadores de calor son muy usados en refrigeración, aire acondicionado, calefacción, producción de energía, y procesamiento químico. Básicamente son recipientes metálicos, comúnmente de acero, de forma cilíndrica o semicilíndrica, atravesados por grupos de tubos por cuyo interior circulan los gases de combustión. Por problemas de resistencia de materiales, su tamaño es limitado.[5] En estas calderas, por el interior de los tubos pasa agua o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras exteriores de ellos.[5] Son de pequeño volumen de agua. Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimiento, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en esfuerzos de tracción en toda su extensión.[7]

3

Fig 1. Esquema de Ciclo de refrigeración.

2. MARCO TEORICO Con el fin de mejorar la compresión de este documento se enlistan algunos términos generales: Aislamiento: Cualquier método utilizado para conseguir oposición en el flujo de calor se conoce como aislamiento, el método más común de aislamiento es el de cubrir todo lo que rodea el producto con láminas con distintos materiales, la composición de estas láminas varía de acuerdo a las necesidades, pero en general se compone de una lámina de material aislante de gran espesor rodeada por dos láminas de un metal inoxidable como el aluminio. Entre mayor sea la diferencia de 4

temperaturas entre el ambiente externo e interno, mayor debe ser el espesor del material aislante. [3] Calor específico: Un cuerpo puede pasar de un estado de temperatura a otro, pero necesita de una cantidad de calor que es proporcional al cambio de temperatura del mismo, el valor de esta proporción se conoce como calor específico, existen dos tipos de calores específicos, uno en estado sólido y otro en estado líquido. El calor específico varía muy poco con la presión por lo que en cálculos de refrigeración es común utilizar un calor específico universal para cada producto. [4] Calor latente de fusión: Es el calor necesario para pasar de estado sólido a líquido y viceversa un producto cuando este se encuentra en la temperatura de fusión, este calor también depende de la presión del ambiente, pero en general su valor no cambia de manera significativa por lo que en cálculos de refrigeración se utiliza un valor universal para cada producto. [3] Coeficiente universal de transferencia de calor: Es la medida de la permeabilidad al flujo de calor de un objeto y depende directamente de las características en conjunto tanto del material como del ambiente que lo rodea. [2] Conductancia térmica: Describe la permeabilidad al flujo de calor de un ambiente en un estado de transferencia de calor por convección sobre un área definida, la conductancia térmica de un ambiente que presenta un gran movimiento en las partículas que lo conforman es distinto a de un ambiente con partículas en estado de bajo movimiento molecular. [2] Conductividad térmica: La conductividad térmica es la propiedad inversa a la resistencia térmica y mide la permeabilidad de un cuerpo sólido al flujo de calor. La conductividad térmica depende del espesor del cuerpo.[2] Congelación: Cuando una fruta ha transformado en un 100% su líquido en sólido debido a la baja de temperatura se dice que la fruta ha sufrido un proceso de congelación. Después de la congelación la fruta sufre cambios importantes en sus propiedades físicas. Una de las más importantes es el epicarpio de la fruta ya que una incorrecta congelación puede generar daños irreversibles en esta membrana, lo que conlleva a una disminución en el valor de la fruta. Las hortalizas también puede haber daños por 5

una mala congelación. Se recomienda realizar una congelación rápida, esto se logra llevando inicialmente la fruta a una temperatura cercana pero un poco más alta a la temperatura de fusión, y después ya llevarla al cuarto con la temperatura de congelación. [2] Cuarto frío: El cuarto frío es un espacio con temperaturas muy inferiores a las de su alrededor, hoy en día se utiliza mucho en la mayoría de procesos industriales y de investigación. En la industria de alimentos, los cuartos fríos deben mantener una temperatura constante que permita la buena conservación de los alimentos. Para eso se cuentan con varios dispositivos que controlan no solo la temperatura, sino también la microbiología del lugar, la humedad relativa, el tiempo refrigerado, entre otras variables. Empaque: modo de almacenamiento de varios envases que guardan un producto, el empaque debe permitir un fácil manejo y debe permitir organizar los envases de manera cómoda. [2] Embalaje: Modo de almacenamiento final de varios empaques, el embalaje depende mucho del tipo de transporte al que va a ser sometido y en muchos países está normalizado. Envase: modo inicial de protección de un producto, la mayoría son normalizados y suelen guardar una cantidad entera de masa o volumen. Los envases permiten un manejo individual pero también deben ser diseñados pensando en el empaque al que vayan a ser sometidos. Ganancia de calor: es la cantidad de calor que un producto gana debido a un proceso, no debe confundirse con la entalpía, ni el flujo de calor, ya que la ganancia solo marca una diferencia de entalpías. La ganancia de calor se mide en vatios (W) en SI. [2] Humedad relativa: Es la proporción que existe entre la presión del aire, y la presión de vapor, se mide en (%) y en ambientes normales suele variar del 70% al 80%, en refrigeración se suele trabajar con humedades relativas superiores a 90%. La humedad relativa está relacionada con la cantidad de agua condensada que presenta el aire, humedades relativas muy altas permiten que los productos refrigerados presenten una capa de agua en su epicarpio que les protege de la pérdida de masa. Instalación frigorífica: es un conjunto de cuartos fríos aislados térmicamente que guardan productos a distintas temperaturas y humedades relativas, la instalación frigorífica suele alimentarse de un solo compresor y un solo condensador, y de varios evaporadores para cada cuarto. [4] Refrigeración: Cuando un producto sufre una disminución de temperatura y se rodea de un ambiente controlado con humedad relativa superior a la normal, se dice que el producto está bajo refrigeración, aunque la 6

temperatura en refrigeración es baja, no es tan baja como para ocasionar congelación, es decir, está por encima de la temperatura de fusión del producto. La refrigeración disminuye la tasa de crecimiento de la microbiología en los alimentos. [3] Refrigerante: Es el medio con el cual se refrigera un cuerpo o ambiente. Existen normas para la identificación de los refrigerantes, se pueden clasificar de acuerdo a sus propiedades químicas. En el siglo XX se comenzó el descubrimiento de refrigerantes halocarbonados que se volvieron los más importantes y los más utilizados durante décadas.[4] Tipos del sistema Refrigeración por compresión. Según el libro Manual de refrigeración de Juan Manuel Franco Lijó, estos sistemas son los más usados en la industria de refrigeración generalmente un sistema por compresión consta de cuatro elementos principales: 

Compresor: Comprime el refrigerante elevando su presión y temperatura, hasta el punto que se pueda realizar la condensación, después se descarga el refrigerante al condensador.  Condensador: Este elemento cambia de estado al refrigerante de vapor a líquido. El fluido refrigerante entra en el condensador en estado de gas (vapor recalentado) y sale en estado líquido a la temperatura que se condensó o incluso a una temperatura menor si se produce subenfriamiento. El fluido refrigerante cede su calor al agente condensante (aire o agua).  Dispositivo de expansión; Hace que el fluido que entra en estado líquido sufra una caída de presión y temperatura hasta la necesaria en el evaporador. También controla la cantidad de fluido refrigerante que debe entrar en el evaporador.  Evaporador: Se encarga de enfriar o acondicionar la cámara, puede estar dentro o fuera de la misma. El objetivo de este elemento es hacer que el fluido refrigerante que entra a baja presión y temperatura empieza a enfriar ya que absorbe el calor externo del espacio que se requiere enfriar. Refrigeración por absorción. Este proceso utiliza el calor como fuerza motriz en vez de un compresor, es efectivo este sistema cuando el calor es abundante o barato o cuando es producto secundario de otro proceso, este sistema es parecido al de un caldero, excepto por las tuberías de agua enfriada y de agua del condensador. Los quemadores de gas son partes del sistema si se trata de un enfriador de disparo directo. Existe gran variedad de sistemas de absorción, los pequeños sistemas son en general compactos mientras que los más grandes vienen por partes, para el fácil acceso y montaje en fábricas, comúnmente posee las siguientes partes un sistema de absorción: (William C. Whitman, William M. Johnson, 2012) [5][6]  Hervidor  Condensador  Evaporador  Absorbidor Principio de Funcionamiento 7

Los cuartos fríos son diseñados para disminuir la temperatura del producto que está en su interior para ello utilizan un sistema de refrigeración a compresión a continuación se muestran un esquema de los elementos del sistema:

Fig. 2 Partes de Sistema

El fluido refrigerante está sometido a cambios de presión, como se muestra en el esquema 3.0 podemos ver las zonas de alta y baja presión, la zona de alta presión está entre la descarga del compresor hasta la entrada del dispositivo de expansión y la zona de baja presión entre la salida del dispositivo de expansión y la entrada del compresor. En todo este circuito de refrigeración, el fluido refrigerante cambia tanto la presión como la temperatura, entre la salida del compresor y la entrada del condensador el fluido está en estado de gas sobrecalentado, se condensa a una temperatura y sale del condensador a la misma temperatura o menor, entonces la temperatura del fluido a la entrada del dispositivo de expansión puede ser igual o menor que la de condensación.[7]

3. OBJETIVOS

3.1.

Objetivo General 

Realizar análisis de transferencia de calor en el intercambiador de calor para el ciclo de refrigeración de cuarto frio.

3.2.

Objetivo Especifico  

8

Analizar el cuarto frio el calor necesario para mantener la temperatura deseada Diseñar los intercambiadores de calor necesarios.

4. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA 4.1.

Identificación de datos

Para llevar a cabo el proyecto final de la materia de transferencia de calor, se dispuso a realizar el análisis en la Pastelería Marcelito ubicado frente a la Feria Libre, el cual se debe mantener a una temperatura -4°C.

Imagen 1. Cuarto frio de Pastelería Marcelito

Fig 3 . Medidas de cuarto Frio

9

4.2.

Descripción del problema.

Se requiere dos sistemas de intercambiador de calor en un ciclo de refrigeración para mantener la temperatura del cuarto frio en 4°C  Temperatura de la cuarto: - 4°C  Temperatura agua en condensador: 18°C  Temperatura ambiente: 25°C

5. CALCULO CALOR NECESARIO DE RECHAZO

Ilustración 1 Ciclo de Refrigeración a usar

10

U=

1 X1 X2 X3 + + K1 K 2 K 3

K=0,0023 K=1,40

W m℃

W m℃

Q1=U∗S∗∆T U=

1 0.05 m 0.050 m 0.001 m + + W W W 0.0023 1,40 222 m℃ m℃ m℃

U=0.045924

W m℃

As=2 T +2 PL+ 2 A

As=2 ( 3.6∗5,6 ) +2 (5,6∗2,5 )+2 (3,6∗2,5) As=86,32 m

2

Text=30 ℃ Q1=0.045924 ( 86,32 ) (30−4 )℃

Q1=103,06 W Calor renovación Q2=Vδ∗N∗∆ h V =3,6 m∗5,6 m∗2,5 m=50,4 m

δe−4 ℃=1,225

kg 3 m

2

N=2

hint=−16,95 h ext=37,54

kJ kgaire

kJ kgaire

Q2=50,4 m3∗1,225

kg kJ ( 37,54+16,95 ) ∗2 m 3 kg m

Q2=6728,42W Cargas por Congelación de Producto Q31=

(Cp )∗ment ( Td−Te ) 86400

Q32=

( L∗mentT ) 86400

Q33=

Cp∗ment +(Tc−Ta ) 86400

ment =

20 kg dia

Cp=1,99

L=115

kg kg

kJ kg

Td=20 ℃

Tc=0℃ Ta=−4 ℃

Q31=

1.99 ( 20 ) ( 20−0 ) =0.92 KW 86400

Q32=

115 ( 20 ) =0.026 KW 86400

Q33=

1.27 ( 20 ) (0+ 4) =0.001 KW 86400

Q33=947 W

Desprendido de Maquina Q 4=8 (Q1+Q 2+Q 3)

Q 4=8 (6728.42W + 103.06W +947 W ) Q 4=622.2784 W

Aportado por personas Q 5=q∗n n=2, q=300 W Q5=300 W ∗2=600 W

Por Iluminación Q 6=i Sc

i=4 , Sc=168.33 W Q 6=4 ( 168.33 W )=673.32 W Calor Total QT=Q 1+Q 2+ Q3+Q 4+Q 5+Q 6

QT =103 W +6728.42 W +947 W + 622.28W + 600W +673.32W QT=9674.02W ≈ 9.67 kw

{

h 1 T =−4 ℃ 252.85 kPa h 1=248.10

}

kJ kg

Q=m ( h 1−h 4 ) 9.67 kw=0.6 h 4=231.98

m=0.6

kg s

kg kJ (248.10 −h 4) s kg

kw kg

T 4=−4 ℃

htge−4 ℃=46.50

kJ kg

htge−4 ℃=201.60 x=0.92

kJ kg

x=

h 4−hg 231.98−46,50 = hfg 201.60

x=Si del comprensor sale a 60℃

S 1=S 2

S 1=0.93372

kJ kgK

S 2=0.93372

KJ a T =60 ℃ KgK

P=1.4 MPa h 2=285.47

KJ KgK

(

Win=( h2−h1 ) m= 285.47

KJ KJ −248.10 ( 0.6 ) Kg Kg

)

Win=22.42 kW

Q4 =m ( h 3−h2 ) h3=hf @ 44 ℃=272.12

(

Q4 =0.6 −272.12

KJ Kg

KJ KJ +285.47 Kg Kg

)

Q4 =8 KW

6. CALCULOS DE INTERCAMBIADOR DE CALOR Q=UAsLMTD

U=

1 1 1 + h 1 h2

ρ=12.07

Kg m3

Cp=873

J Kg k

Pr=0.505 Considerando el valor del espesor del tubo K=0.01161

W mK −6

u=67.09 x 10

kg ms

V =m At v Kg m3 V =0.6 (0.07984 )/π (0.0125)2 m2 s kg 97.59 ℜ=

m kg ( 0.025m)/12.07 3 s m kg 67.09 x 10−6 ms

ℜ=438929.54 Nu=0.023 ℜ0.8 Pr 0.4 0.8

Nu=0.023 ( 438929.54 ) ( 0.55 )

0.4

Nu=591.2733

h2=

NuK D

h2 =

591.2733 ( 0.01161 w /m ℃ ) 0.025

h2=274.58 W /m℃

h1 para aire reforzado=450 W/m2oC U=

1 =170.527 W /m2 ℃ 1 1 + 274.58 450

LMTD=

0.5−20 =5.28 ℃ 0.5 ln 20

9670 W =170.527 As ( 5.28 ) As=10.74 m

2

As=πdL¿ tubos 10.74 m2=π ( 0.025 m) ( 3 m )( ¿ tubos ) ¿ tubos=45.58tubos ≈ 46 tubos

Ilustración 2 Diseño Final

7. SIMULACIÓN POR SOFTWARE

Método Iterativo en ANSYS con el cual por el método de energías se lograron aproximar de mejor manera los datos.

Temperaturas del aire en el intercambiador de calor.

Temperaturas de tubo primer en el intercambiador de calor.

8. CONCLUSIONES Con el sistema propuesto se a logrado obtener que para mantener una temperatura de -4°C en el cuarto frío de Pastelería Marcelito se necesita un calor de Rechazo de 9.67 KW con lo que se garantiza que el ambiente se mantenga refrigerado y un calor expulsado al ambiente de 8 KW, con un trabajo de compresor igual a 22.42 KW. También se logro comprobar con un método iterativo en ANSYS que las temperaturas de entrada y salida del intercambiador de calor en el caso específico de 1 tubo. El diseño final del intercambiador consta de 46 tubos de diámetro de 1in con lo cual se logro obtener la salida de temperatura deseada en el intercambiador de calor.

9. BIBLIOGRAFIA

Libros:

[1] J.P. HOLMAN; “Transference de Calor” Southern ethodist University; MEXICO 1999; DECIMA EDITION. [2] YUNUS A. CENGEL MICHAEL A. BOLES; “Termodinámica” Instituto tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey; SEXTA EDITION. Fuentes de internet [3]https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdf [4] http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf [5 «Academia,» ] %C3%B1o_e

[En

línea].

Available:

https://www.academia.edu/14452559/Dise

instalaci %C3%B3n_de_un_intercambiador_de_calor_para_calentar_el_combustible_previo_ [6] http://es.scribd.com/doc/70286853/Calderas-Pirotubulares-seg-III [7]http://Universia.net/bitstream/2024/634/1/CALDERAS

10. ANEXOS