diseño de cámaras frigorificas

8/9/2019 Diseo de Cmaras Frigorificas

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DISEOS DE CMARASFRIGORFICAS

TEMA 3.

CMARAS FRIGORFICAS.

Universidad de los AndesFacultad de IngenieraDepartamento de Ciencias TrmicasAsignatura: Refr igeracin

Bibliografa:Industrial Refrigeration handbook. W.F. Stoecker. McGraw-Hill. 1998.

Principio y Sistemas de Refrigeracin. Edwar G. Pita. Limusa 2006.Calor y fro industrial II (Mecnica-Mquinas). UNED. 1984Aislamiento, clculo y construccin de cmaras frigorficas. P. Melgarejo.1995Clculos en instalaciones frigorficas. J.M. Pinazo. UPV. 1995 .Normativa


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIN .

2. PROCESOS DE REFRIGERACIN YCONGELACIN

3. CARACTERSTICAS CONSTRUCTIVAS4. CLCULO DE LA CARGA TRMICA.

5. EJERCICIO.

6. SELECCIN DE UNIDADES Y ACCESORIOS.7. PRESENTACIN DE PROYECTO.


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIN .



5. EJERCICIO.



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Aplicaciones industriales del fro:

Conservacin, congelacin y transporte deproductos perecederos.

Acondicionamiento de aire.

Procesos industriales.

Conservacin, congelacin y transporte deproductos perecederos:


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Objetivo:

Mantener la calidad y las propiedades de losalimentos, prolongando los periodos deconservacin, con prdidas mnimas de peso, sin

empeoramiento de las caractersticas(sabor,aspecto).


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Tratamientos:

Primarios:

Enfriamiento:

Refrigeracin (T> T de congelacin)

Congelacin (-40C < T


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Magnitudes a contro lar:

Temperatura del aire o medio alrededor del producto.

Humedad relativa del aire, especialmente la de losproductos refrigerados (no congelados).

Velocidad del aire en el ambiente del producto. Eventualmente la pureza de dicho ambiente, que esfuncin del tipo de tratamiento y el tipo de producto(existe diferencias entre la materia viva (vegetales)

y los productos derivados de animales (carnes ypescados).


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIN .

2. PROCESOS DE REFRIGERACIN YCONGELACIN.


5. EJERCICIO.



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2.1.- Refrigeracin.

Se entiende por alimento refrigerado, aquel que

ha sido enfriado hasta la temperatura ptima dealmacenamiento, de forma que aquella sea

superior a la de su punto de congelacin.


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2.1.- Refrigeracin.

Observaciones:

cada producto requiere condiciones particulares;

necesidad de un control preciso de la temperatura,

ya que en ocasiones se opera en condiciones muyprximas a la congelacin; importancia del controlde la humedad relativa.


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2.1.- Refrigeracin.

Ejemplos de condiciones de diseo pararefrigerar algunos productos:

Aplicaciones Temperatura(C)

HumedadRelativa

(%)

Tiempo

Carne 2-4 8085

Pescado -1 a 4 7595

Manzanas 0 a 3 9095 3 -8 meses

Melocotones -0,5 a 0 9095 2 -4 semanas

Tomates 7 a 10 9095 47 das


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2.2.- Congelacin

Se entiende por alimento congelado aquellos enel que la mayor parte de su agua de constitucinse encuentra como hielo.

El alimento ultracongelado es aquel en el que lacongelacin se efecta de forma que el intervalode mxima cristalizacin transcurre rpidamente;

en el que la temperatura de equilibrio alcanza 18C (o una temperatura inferior); en el que latemperatura se mantiene por debajo de18C (oinferior) durante su almacenamiento, transporte ydistribucin.


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2.2.- Congelacin

Observaciones:

El agua en el producto forma una disolucin

salina, por lo que las temperaturas son inferioresa las de congelacin del agua pura.

La formacin de cristales de hielo rompe la

estructura de los alimentos. Se evita suformacin haciendo el proceso de congelacin loms rpidamente posible.


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2.2.- Congelacin

Ejemplos de condiciones de diseo paracongelar algunos productos:

Aplicaciones Temperaturade

congelacin(C)

Aplicaciones

Temperaturade

congelacin(C)

Carne de ave -2,7 Carne devacuna

-2

Pescado -2,2 Lcteos -4 a -0,5

Frutas -0,3 a -3 Hortalizas -0,5 a 1,5


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2.3. Calentamiento y descongelacin

A la salida de las cmaras frigorficas, sobre losproductos refrigerados o congelados, condensael vapor de agua existente en el aire ambiente,

crendose un medio acuoso favorable para eldesarrollo de microorganismos contaminantes.


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Un modo de impedir esta humidificacin esmediante un calentamiento progresivo.

Para ello se suele emplear aire a ms

temperatura, siempre por encima de la delproducto en unos 3C, permaneciendo lahumedad relativa en torno al 80%.


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Los productos congelados pueden requerir unadescongelacin:

- Esta descongelacin (al contrario de lo queocurra con la congelacin), conviene que sealenta, con el fin de que el producto reabsorba elagua lquida.- Se puede mejorar la reabsorcin del agua

mediante la elevacin de la temperatura delproducto.- La descongelacin puede efectuarse con airecaliente o tambin con agua caliente


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIN .

2. PROCESOS DE REFRIGERACIN YCONGELACIN.

3. CARACTERSTICAS CONSTRUCTIVAS.4. CLCULO DE LA CARGA TRMICA.

5. EJERCICIO.



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3.1- AISLANTES

Los materiales aislantes deben su efecto a laoclusin de burbujas de gas en reposo, con unamuy baja conductividad trmica.

Deben tener la menor tendencia a la absorcin de

agua posible (higroscopicidad) para evitarcondensaciones, pero aun as deben serprotegidos ante vapor de agua ya que, alcondensar, ste reduce la capacidad aislante del

material, pudiendo incluso romper la estructura alcongelarse.

Otras caractersticas importantes de un buen

material aislante son:


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3.1- AISLANTES

Imputrescible. Inatacable por los roedores. Inodoro y ausencia de fijacin de olores. Incombustible.

Neutro qumicamente frente a otros materialesutilizados en la construccin de la cmara yfrente a fluidos con los que deba estar encontacto.

Plstico, adaptndose a las deformaciones dela estructura de la cmara.

Facilidad de colocacin. Resistencia a la compresin y a la traccin.


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3.2- ELECCIN DEL AISLANTE TRMICO

Deber escogerse el que mejor se adapte a lascondiciones concretas del lugar y rgimen de trabajo dela cmaras frigorficas. Para ello se tendr en cuenta lossiguientes criterios:

Criterios de base sanitarias. Criterios de seguridad.

Limitaciones debidas a las condiciones de trabajo.

Facilidades de suministros y repuestos.

Instalacin y mantenimiento. Costo y vida de la instalacin.


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Fuente: P. Melgarejo.Aislante Estructu.

(kg/m)Conductividad agua(W/m K)

Resistividadal vapor

(mm Hg m/gcm)

Temp.Mxima

(C)

Aglomerado

de corcho

Celular 110 0,034 0,08 65

Fibra de vidrio Fibrosa 1091 0,038-0,031 0,007 250-550

Lana de roca Fibrosa 30150 0,036-0,040 0,008-0,009 593-1000

Poliestirenoexpandido

Celular 1025 0,049-0,028 0,12-0,22 70

Poliestirenoextrusionado

Celular 33 0,024-0,028 0,45-0,90 85

poliuretano Celular 3280 0,020-0,034 0,066-0,166 140

Espuma

elastomtrica

Fibrosa 60 0,029 41,6 105


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Subdivisin y formas de aislantes (UNE 100-171-89)

Denominacin Materiales Rango de aplicacin

MIFMateriales InorgnicosFibrosos

Lana de roca.Fibra de vidrio.Asbesto o Amiento.

Desde -50C hasta650C

Segn el material.

MICMateriales InorgnicosCelulares

Vidrio Celular Desde -50C hasta100C

En planchas rgidas.

MOCMateriales OrgnicosCelulares

Corcho.Poliestireno.Poliuretano.Espumas.

Desde -50C hasta100C


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3.3- ESPESOR DEL AISLANTE.

Determinacin del flujo de calor y de lastemperaturas superficiales (paredes planas) :

Aire exterior

Superficie de la Pared exterior

Aire interior

CONVECCINCONDUCCINCONVECCIN

>


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3.3- ESPESOR DEL AISLANTE.

Determinacin del flujo de calor y de lastemperaturas superficiales (paredes planas) :

= = 1 +

+1 +


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3.3- CLCULO DEL ESPESOR DEL AISLANTE

NECESARIO.

Existe diferentes criterios:

3.3.1 Prevencin de condensaciones superficiales.

3.3.2 Limitar el flujo de calor a un valor

determinado.

3.3.3 Espesor ptimo econmico.

3.3.4 Espesor ptimo energtico.


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NECESARIO.


Para este criterio, el clculo del espesor del aislante sebasar, en que no se produzca condensacin en la

superficie en contacto con el aire caliente.

Aire exterior

Superficie de la Pared exterior

Aire interior


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NECESARIO.


La temperatura superficial de la pared expuesta al aireexterior se relaciona con el salto trmico total, mediante laexpresin:

=

.

1 +

+1 +

= .1


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NECESARIO.

3.3.1 Prevencin de condensaciones superficiales.Por lo tanto se debe cumplir que:

> 1 1 + 1 +


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NECESARIO.

3.3.1 Prevencin de condensaciones superficiales.Dnde: =Conductividad trmica del aislante, en Kcal/h m C (W / m C). =Espesores del aislante trmico, en m hi=Conductancia del aire interior de la cmara en Kcal/h m2C

(W/m C) ho=Conductancia del aire exterior de la cmara en Kcal/h m2C

(W/m C).

= Temperatura del aire exterior (C).

= Temperatura del aire interior (C). = Temperatura de condensacin del aire exterior (C). =Espesor de los materiales sin considerar el aislante, en m ki=Conductividad trmicas de los materiales sin considerar el aislante,

en Kcal/h m C (W / m C).


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NECESARIO.


Ejercicio:Una pared, est formada por dos tabiques iguales de ladrilloscon una lmina de poliuretano en el medio. Calcular el espesordel aislante necesario si se desea que no se produzcacondensacin en la superficie caliente de la pared.Consideremos los siguientes datos:temperatura interior -10C, temperatura exterior 25C y 75% dehumedad relativa, conductividad trmica de cada tabique de

0,76W/mC y espesor 0,1m c/u, coeficiente conveccin delcaliente 16,6 W/mC y del aire fro de 9,1 W/mC,conductividad trmico del aislante (poliestireno expandido tipo IIde densidad 12 kg/m de 0,044W/mC.


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NECESARIO.


Solucin:

>

1

1

+

1

+

>0,0441

16,6 25(10)2520,4

116,6 +

19,1 + 2

0,10,76

> 0,0011m

Por lo tanto, para que en la pared exterior no ocurra condensacin elespesor del aislante debe ser mayor a 1,10mm.


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NECESARIO.

3.3.1 Limitar el flujo de calor a un valor determinado.

Consiste en calcular el espesor del aislamientonecesario, fijando el valor de : Cmaras de congelacin:

= 6 = 7 =2,22

Cmaras de congelacin:

= 8 =9,3 =2,96

=

+ +


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NECESARIO.


Ejemplo:

Se construye una cmara frigorfica con la pared delejercicio anterior. Calcular el espesor de aislantenecesario, si se desea que el flujo mximo de calor atravs de la pared, en las condiciones de clculo, sea

de 20 W/.


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NECESARIO.


Solucin:

=0,044 ()

,

+ ,

+ 2 ,,

= + +

=5,7910=5,79


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3.4- Pantallas antivapor.

3.4.1 Condensacin:

La presin parcial del vapor en el interior de lascmaras frigorficas es distinta a la que existe

en el ambiente exterior.El vapor de agua se difunde de las zonas demayor presin a las de menor presin.


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3.4.2 Materiales y mtodos de construccin:


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3.4.3 Prevencin de la congelacin del suelo :Se debe considerar la seccin del suelo por debajo de una

cmara (o espacio refrigerado) a temperatura por debajo de0C. A pesar del aislamiento, debido al contenido de humedad

del suelo, el agua en l contenido puede congelarse, con elriesgo de fractura de la estructura.

Mtodos de calentamiento:

Construccin de un vaco sanitario: mediante el cual se hacecircular aire.

Calentamiento mediante resistencias.

Calentamiento por medio de agua glicolada (bastar que la

temperatura de suministro sea igual a 10C o 15C).


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3.4.3 Prevencin de la congelacin del suelo :Este procedimiento, es el recomendado en nuestras instalacionesfrigorficas de congelacin de hasta40 C.


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3.4.3 Prevencin de la congelacin del suelo :


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3.4.3 Prevencin de la congelacin del suelo :


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3.4.3 Prevencin de la congelacin del suelo :Glicol

atemperado


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIN .



5. EJERCICIO.



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4.- CARGA TRMICA

De manera general se puede decir que la cargatotal de refrigeracin se compone de las

siguientes partes:


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4.- CARGA TRMICA

4.1 Carga por transmisin a travs de paredes, techo, piso.

4.2 Carga por infiltracin de aire, es la ganancia de calor

asociada con el aire que entra en el espacio refrigerado.

4.3 Cargas internas, es el calor producido por fuentes

internas, tales como:

Luc es, moto res elctr icos y personas t rabajand o en el rea.

4.4 Carga por productos.

4.5 Carga relacionada con el equipo de refrigeracin.


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4.1.- CARGA A TRAVS PAREDES, TECHO Y PISO

0/1//1

1donde,hkxh

UTAUQiii

Estructura

Dnde:

Transferencia de calor en Kcal/h o (W) (KJ/h). U=Coeficiente de transmisin trmica global, en Kcal/h m2C (W / m2

C). =Conductividad trmica de los materiales, en Kcal/h m C (W / m C). =Espesores de los materiales, en m hi=Conductancia del aire interior de la cmara en Kcal/h m2C

(W/m C) ho=Conductancia del aire exterior de la cmara en Kcal/h m2C

(W/m C). = Temperatura del aire exterior (C). = Temperatura del aire interior (C).


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MTODO 1:

= =

Para techo se usa el mismo factor de correccin que a la fachadaSO.

Para la solera sobre el terreno utilizar 0,5.

Clculo del salto trmico interior-exterior:

ORIENTACIN S SO O NO N NE E SE

FACTOR 1,15 1,2 1,1 1,05 1 1 1,05 1,1


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MTODO 2: =

Para pared:

Para Pasillo: = /2

Para techo: = 1 5 +

Para piso con vaco sanitario:

Clculo del salto trmico interior-exterior:

ORIENTACIN S O N E

T. equivalente = 5 + = 1 0 + = 0 , 6 = 5 +

2

15 exteq

TT


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4.2.- CARGA DEBIDA A INFILTRACIN

Representa aproximadamente el 10% al 30% de la carga portransmisin

V: renovaciones de aire. Suele darse un valor en funcin delvolumen de la cmara.

Donde;

Q= Ganancia de calor por infiltracin en 24 horas NC= Nmeros de cambio de aire por 24 horas. Vint.= Volumen interior de la cmara en Pies3. C= calor removido al enfriar el aire exterior hasta la temperatura del

cuarto de almacenamiento en (Btu/pies3).

int.inf hhVQ ext

CVNCQ int.inf


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4.3.- CARGAS INTERNAS

Estas cargas provienen del calor cedido por las luces internas, losmotores que funcionan en el recinto y las personas que trabajan en lacava.

Iluminacin,

Como el sistema de alumbrado viene dado en vatios, la carga diariase puede calcular de la forma siguiente:

Donde:

P corresponde a la potencia en vatios del alumbrado. tp es el tiempo de utilizacin diaria de las luces en hr/da.

Si las lmparas son fluorescentes, la carga se debe multiplicar por1.25 para considerar el consumo complementario de las reactancias.

tpwhBtuPQilum /42.3


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4.3.1. Iluminacin, Como el sistema de alumbrado viene dado en vatios, la carga diaria

se puede calcular de la forma siguiente:

Donde:

P corresponde a la potencia en vatios del alumbrado.

tp es el tiempo de utilizacin diaria de las luces en hr/da.

Si las lmparas son fluorescentes, la carga se debe multiplicar por1.25 para considerar el consumo complementario de las reactancias.

tpwhBtuPQilum /42.3


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4.3.2. Personas: Las personas contribuyen a la carga de refrigeracin, la contribucin

vara dependiendo de la temperatura del recinto, actividad de laspersonas, etc. Sin embargo esta carga se puede estimar con la

relacin siguiente

Donde

Q= calor entregado de las personas en el tiempo de permanencia en

la cmara, en (Btu/24hr) Tint=temperatura interior de diseo del recinto a enfriar en F .

tp =tiempo de permanencia de las personas dentro de la cmara enhr/dia

tp)T11,5-(1295Q intpers



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4.3.3. Mo to res

La ganancia de calor originada por motores elctricos, sepuede obtener de la tabla 13.



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Por lo tanto, la carga total interna:

motor.ilum.pers.int Q QQQ



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4.4. GANANCIAS DEBIDO AL PRODUCTO

Considera el calor que debe ser eliminado delproducto refrigerado a fin de que la temperaturadel mismo baje hasta los niveles deseados.


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4.4.1. Prod uc tos Refrigerados (no vegetal)

Donde: Qprod= calor transferido del productos en Kcal/24hr, KJ/24hr Btu/ 24hr.

= Cantidad de producto que entra diariamente a la cmara enkg/24hr lbm/ 24hr.

= calor especifico del producto antes de congelarse en Kcal/hr C,KJ/hr C Btu/hr F. = temperatura en la que entra el producto a la cmara en C (F)

)T-(TcpmQ

:TT

intentcong-antprod.prod

congint


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4.4.1. Prod uc tos Refrigerados (vegetal o fr uta)

Donde: Qprod= calor transferido del productos en Kcal/24hr, KJ/24hr Btu/ 24hr.


= calor especifico del producto antes de congelarse en Kcal/hr C,KJ/hr C Btu/hr F. = temperatura en la que entra el producto a la cmara en C (F) CR= Calor por respiracin en Kcal/hr/kg, KJ/hr/kg Btu/hr/lbm.

CRm)T-(TcpmQ

:TT

prodintentcong-antprod.prod

congint


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4.4.1. Producto s con gelados :

congdesp.produclatente.produccongantes.produc.produc

cong

QQQQ

:TT:congeladosProductos

)T-(TcpmQ.1 congentcong-ant.produccongantes.produc

)T-(TcpmQ.3 intcongcong-desp.produccongdesp.produc

hmQ.2 sf.produclatente.produc


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4.4.1. Producto s con gelados :Donde:

Qprod= calor transferido del productos en Kcal/24hr, KJ/24hr Btu/ 24hr.


= calor especifico del producto despues de congelarse en Kcal/hrC, KJ/hr C Btu/hr F.

= temperatura de congelacin del producto en C (F) = temperatura de entrada del producto en C (F) = temperatura interior de la cmara en C (F) = Calor latente de fusin Kcal/kg, KJ/kg Btu/lbm.


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4.5 CARGA RELACIONADA CON EL EQUIPODE REFRIGERACIN.

Como la potencia de los ventiladores se desconoce a priori seconsiderar para este concepto un 10 % de la suma de las potenciascalculadas en los apartados anteriores.

En definitiva, la contribucin por el calor desprendido por losventiladores ser:

tPV

Q

persona.acinminilu.producinf.estructotal QQQQQ1,0Q


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4.6. CARGA TOTAL

Llamaremos carga total carga total diaria a la suma detodas las cargas producidas en un da (24 horas):

..inf.Q)24/(Q equipmotorproducestructotal QQQhrBtu


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4.6. TIEMPO DE OPERACIN DEL COMPRESOR:

La carga trmica por hora sirve como gua en la seleccin delequipo. Se calcula dividiendo la carga trmica final en BTU/24 hrs por

el tiempo de funcionamiento deseado de la unidadcompresora.

cmaras sin reloj a 35 F 16 hrs cmaras con reloj a 35 F 18 hrs Tnel de enfriamiento/congelacin con deshielo positivo 18 hrs Conservador de congelados 20 hrs

Refrigeradores de 25F a 34F con deshielo elctrico por gascaliente 20-22 hrs. Cmaras a 50F y temperaturas mayores, con temperatura del serpentn por arriba de 32F 20-22 hrs


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CARGA TOTAL POR HORA

Por lo tanto, para calcular la carga requerida del equipoen Kcal/ hr, KW en Btu/hr, se divide la carga total quecorresponde al periodo de 24h. entre el tiempo por dadeseado de funcionamiento del equipo.

)hr(operacion_de_tiempo

)hr24/Btu(QQ totaltotal


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CARGA TOTAL POR HORA

Por lo tanto, para calcular la carga requerida del equipoen Kcal/ hr, KW en Btu/hr, se divide la carga total quecorresponde al periodo de 24h. entre el tiempo por dadeseado de funcionamiento del equipo.

)hr(operacion_de_tiempo

)hr24/Btu(QQ totaltotal


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIN .2. PROCESOS DE REFRIGERACIN Y

CONGELACIN


5. EJERCICIO.



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5.1 DISEO DE LAS CMARAS FRIGORFICASPARA ALMACENAR EL HIELO:

Se disearn 2 cmaras frigorficas con la capacidad dealmacenar 10000 Kg de hielo cada una (1667 bolsas dehielo de 6 Kg c/u). Su dimensionamiento ser, 11 metrosde largo (36,08 pies), 5 metros de alto (16,40 pies), y 3.2

metros de ancho (10,496 pies).


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5.2 CONDICIONES DE DISEO.

Temperatura interna TI: -10C (14F). Humedad relativa interior HRI: 62%. La cava estar ubicada en la ciudad de Maracay estadoAragua.

Temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo en la ciudad deMaracay ser de TBS: 33,33C (92F) y TBH: 26,7C (80F)respectivamente.

Del diagrama psicromtrico se obtiene la Temperatura de rociTrocoy humedad relativa exterior: 24,44C (76F), HRE: 62%.

La cmara ser construida de bloque de concreto conagregado de arena de 4 pulg. La cmara tendr un friso de concreto de 2 pulg. La cmara ir cubierta de cermica blanca de 0,24 pulg de

espesor, con un adherente o pego de 0,2 pulg de espesor.

Prof. Mara E. Jinete


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5.3 CLCULOS PARA LA CMARAFRIGORFICA:

5.3.1 Espesor mnimo del aislante:

=

+

+ +

+

+

Dnde:

= = 76 14 = 62



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5.3.1 Espesor mnimo del aislante:

Tipo de aislante a usar: Poliuretano expandidoConductancia para aire exterior ho: 1,65 Btu/h F pie^2 .Conductancia para aire interior hi 4 Btu/h F pie^2

Conductancia C para bloque de concreto de 4 pulg.: 1,4 Btu/h F pie^2Conductividad del adherente o pego K1: 1,04 Btu pulg/h F pie^2Conductividad de la cermica K2: 5,5 Btu pulg/h F pie^2Conductividad del friso K3: 12 Btu pulg/ h F pie^2Conductividad del aislante Kaislante: 0,17 Btu pulg/h F pie^2Valor de Qmax para congelamiento: 2,22 Btu/h pie^2

Datos para calcular el espesor del aislante en la cmara frigorfica (ver tabla 11).

=62

2,22 1

1,65 +14 +

0,21,04 +

0,245,5 +

212 +

11,4 0,17 = 4,412 (0,11 )

Por lo tanto se usara un aislante de espesor comercial de 5 pulg de poliuretanoexpandido.



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5.3.2 Calculo del coeficiente global de transferenciade calor U:

= 1

1 + 1 +11 +22 +33 + 1 +

= 1

11,65 + 14 + 0,21,04 + 0,245,5 + 212 + 11,4 + 4,4120,17=

=0,0358 (0,203

)



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5.4 CLCULO DE LA CARGA TRMICA

5.4.1 Calor por la estructura: = Dnde:

=

Largo de la cmara 36,08 pies 11 mAlto de la cmara 16,40 pies 5 m

Ancho de la cmara 10,496 pies 3,2 mCoeficiente global detransferencia de calor U

0,0358 Btu/ h pie^2F 0,203 W/^2 K

Temperatura de bulbo seco TBS 92 F 33,33 CTemperatura interna de la

cmara TI

14 F -10 C

Dimensiones y datos necesarios para el calor por la estructura de la cmara

frigorfica.



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5.4.1 Calor por la estructura:ESTRUCTURA ()

(m)

(KW)Pared Norte = 0,6 =, 172,134

15,990

253,89

0,07Pared Este = + 5 = 591,712

54,9701758,21

0,52Pared Sur = + 5 = 172,134

15,99511,480,15

Pared Oeste = + 10 = 591,71254,97 1864,120,55Techo = + 15 = 378,670

35,181260,82

0,37Piso

= + 15

2 =,

378,700

35,18

535,51

0,16



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5.4.1 Calor por la estructura:

En conclusin se tiene que el calor total por la estructura ser:

= + + + + + =,



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5.4.2 Calor por infiltraciones:

= De la tabla 8, obtenemos el cambio promedio de aire NC cada 24

horas. NC= 5,0 cambios/da De la tabla 10, obtenemos el calor removido C al enfriar el aire

exterior hasta la temperatura del cuarto de almacenamiento enBtu/pies^3.

C=3,07 Btu/pies^3.

= 6210,61 175,86

=,



75/148


5.4.3 Calor por iluminacin:I = 3 , 4 2

1,25

Numero de lmparas fluorescentes Nl=8. Potencia del alumbrado fluorescente P=17 W. Tiempo de uso de las lmparas por da tp=6 h/da

=,


76/148



77/148


5.4.5 Calor por motores:otores =

Este valor se obtiene de la tabla del anexo 13 para motores entre 3 y

20 hp conectados en el exterior del espacio refrigerado.Calor equivalente para un motor estimado en 8 hp C=400 Btu/hp-h

=

=



78/148


5.4.6 Calor debido al producto:Es necesario destacar que el producto (hielo en cubos) entra a lacmara frigorfica a una temperatura de congelacin de -2C(28,4F).

=, (, )

= Temperatura interna Tint=14F. Calor especifico del hielo Cp=2,1 KJ/Kg=0,5015 Btu/lb F. Cantidad de hielo por da que entra a la cmara =10000

Kg/da =22046,21 Lb/da.



79/148


5.4.7 Calor debido a los ventiladores del evaporador:

/ =29515,80,1=29515,8 24

= Como no se conoce la potencia P de los ventiladores porque no se

sabe el tipo de equipo que se utilizara en la instalacin, se puedeestimar esta carga en un 10% de la carga total.

= / 0,10



80/148


5.4.8 CARGA TOTAL

/ =324674,03

24

Para obtener la carga total en Btu/h se dividir la carga total enBtu/24h, entre las horas de funcionamiento del compresor, quesern 16 horas/da, y se tiene que:

/ = / +

Considerando un factor de seguridad de un 10%, tenemos:

/ =357141,424



81/148


Para obtener la carga total en Btu/h se dividir la carga total enBtu/24h, entre las horas de funcionamiento del compresor, quesern 16 horas/da, y se tiene que:

= /

=2 = 357141,416 = 22321,34 =1,862

5.4.8 CARGA TOTAL


82/148

CONTENIDO

1. INTRODUCCIN .2. PROCESOS DE REFRIGERACIN Y

CONGELACIN


5. EJERCICIO.


6 1 CICLO DE REFRIGERACIN PORProf. Mara E. Jinete


83/148

6.1 CICLO DE REFRIGERACIN PORCOMPRESIN DE VAPOR

Calor

Compresor

Calor

Evaporador

Condensador

Entalpia

Presin

Recipiente

Vlvula deexpansin



84/148

6.2 SELECCIN:

6.2.1 REFRIGERANTE.6.2.2 UNIDAD EVAPORADORA.

6.2.3 UNIDAD COMPRESORA.

6.2.4 CONDENSADOR.

6.2.5 VLVULA DE EXPANSIN.

6.2.6 DISPOSITIVO DE PROTECCIN Y CONTROL.

6.2.7 CIRCUITO DE REFRIGERANTE.



85/148

6.2.1 REFRIGERANTE:

Es cualquier cuerpo o sustancia que acte como agente deenfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia.

Existe un nmero muy grande de fluidos refrigerantes

fcilmente licuables; sin embargo, slo unos cuantos sonutilizados en la actualidad. Algunos se utilizaron muchoen el pasado, pero se eliminaron al incursionar otros conciertas ventajas y caractersticas que los hacen ms

apropiados



86/148

6.2.1 REFRIGERANTE:

Requerimientos de los refrigerantes.

Para que un lquido pueda ser utilizado comorefrigerante, debe reunir ciertas propiedades, tantotermodinmicas como fsicas. A continuacin se listanesas propiedades para un refrigerante ideal:



87/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Propiedades Termodinmicas:

Presin:

Temperatura:

P positivas.

> < .

> Es decir;



88/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Propiedades Termodinmicas:

Entalpa: Calor latente de vaporizacin ()

Volumen especfico: En Fase vapor

En Fase lquida



89/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Prop iedades fsic as y qum icas :

No debe ser toxico ni venenoso. No debe ser explosivo ni inflamable. No debe tener efecto sobre otros materiales. Fcil de detectar cuando se presente fugas en el sistema. Debe ser miscible con el aceite. No debe reaccionar con la humedad. Debe ser un compuesto estable.



90/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Grupos de Refrigerantes:

Existen tres (3) grupos de refrigerantes que segn su

composicin y caractersticas:

Estos ltimos son los ms utilizados en la actualidad debidoa que no contienen cloro y poseen un muy bajo efectoinvernadero (GWP), y sin potencial destructor de la capa deozono (ODP).

Los CFC (clorofluorocarbonos). Los HCFC (hidrocloroflorocarbonos) y Los HFC (hidrofluorocarbonos).



91/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Refrigerantes CFC:

Refrigerantes cuyas molculas contienen tomos de cloro,

flor y carbono.

Tienen mayor capacidad de destruccin de la capa deozono.

Surgieron por la necesidad de sustituir gases txicos talescomo el Amoniaco (R717).

Los utilizados ms tenemos: R11, R12, R502, R500, R13B1,R13, R113



92/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Refrigerantes CFC:

Actualmente son refrigerantes descontinuados debido asu alto porcentaje de dao de la capa de ozono.



93/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Refrigerantes HCFC:

Refrigerantes cuyas molculas contienen tomos de

hidrogeno, cloro, flor y carbono.

Debido a su bajo contenido en cloro y la presencia detomos de hidrogeno, los HCFC poseen un potencialreducido de destruccin de la capa de ozono (ODP)

Los utilizados ms tenemos: R22, R141b, R403B, R408A,R402A, R402B.



94/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Refrigerantes HFC:

Refrigerantes cuyas molculas no poseen tomos cloro,

contienen tomos de hidrogeno, flor y carbono.

Sin potencial destructor de la capa de ozono (ODP) y muybajo efecto invernadero (GWP).

Los utilizados ms tenemos: R134A, R413A, R404A, R507,R407C, R417A y el R410

Sustituye a los CFC y HCFC debido a sus buenascaractersticas de uso en variadas aplicaciones



95/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Seleccin el refrigerante ideal:

Pero dentro los HCF, existen siete (7) tipos de refrigerantesque cumplen con lo anteriormente expuesto.

Es conveniente evaluar, cual de esos 7 refrigerante es elrefrigerante ideal para nuestra aplicacin?



96/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Base de partida (Ejemplo ).

Aplicacin del fluido a un ciclo saturado simple con

sobrecalentamiento y subenfriamiento, para una temperaturade condensacin de 43C (109,4F) y temperatura de

evaporacin -10C (14F).Potencia frigorfica necesaria 59 KW (201334,27 BTU/h 17

TR).Se supondr un rendimiento mecnico del 80% en todos loscasos.



97/148

6.2.1 REFRIGERANTE:


Parmetros a estud iar en el c ic lo :

Presin de evaporacin.

Temperaturas. Rendimiento volumtrico:

= 1

Donde y son las presiones de condensacin yevaporacin respectivamente y es el espacio de volumenmuerto, que para un compresor reciprocante seria de

aproximadamente 0,02. Prof. Mara E. Jinete


98/148

6.2.1 REFRIGERANTE:



Rendimiento mecnico:

Este valor puede conocerse a travs de lascaractersticas mecnicas que proporcionan losfabricantes =0,80.

Rendimiento mecnico isoentropico:

=



99/148

6.2.1 REFRIGERANTE:



Caudal msico del refrigerante:

Potencia absorbida en el compresor:

= ( )

=



100/148

6.2.1 REFRIGERANTE:



Coeficiente de operacin del ciclo:

. . = Volumen geomtrico del compresor:

=

Volumen real del compresor:

= 1


G


101/148

Diagramas P-h y T-s respectivamente

6.2.1 REFRIGERANTE:

Anlisis comparativo


102/148


103/148


6 2 1 REFRIGERANTE


104/148

Presin de vapor y Temperatura de saturacin en de los refrigerantesR134a, R22, R717, R404a, R507.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,50,6

0,7

FlujoMasico(Kg/s)

Refrigerantes

R134a

R22

R717

R404aR507

Anlisis comparativo

6.2.1 REFRIGERANTE:


6 2 1 REFRIGERANTE


105/148

Flujo msico de los distintos refrigerantes.

18

19

20

21

22

2324

25

Potenc

iaWabsorbid

a

porelC

ompresor(KW)

Refrigerantes

R134a

R22

R717

R404aR507

Anlisis comparativo

6.2.1 REFRIGERANTE:


106/148


6 2 1 REFRIGERANTE


107/148

C.O.P del ciclo para cada uno de los refrigerantes.

2,1

2,2

2,32,4

2,5

2,6

2,72,8

2,9

C.O.P

Rerigerantes

R134a

R22

R717

R404aR507

Anlisis comparativo

6.2.1 REFRIGERANTE:


6 2 1 REFRIGERANTE


108/148

El R134a ser la mejor opcin para esta aplicacin que elR22, ya que forma parte del grupo de los refrigerantesHFC, y como se indic antes, estos son refrigerantes que

no poseen cloro y tienen tomos de hidrogeno, tienen 0potencial de destruir la capa de ozono (ODP) y muy bajacapacidad de producir el efecto invernadero (GWP); casodistinto

Anlisis comparativo

6.2.1 REFRIGERANTE:


6 2 1 REFRIGERANTE


109/148

Por lo tanto, de lo anteriormente expuesto concluimos quepara el ejercicio que estamos realizando, el refrigeranteptimo para esta aplicacin ser el refrigerante R-134A.

Anlisis comparativo

6.2.1 REFRIGERANTE:

6 2 2 EVAPORADOR


Equipos que operan


110/148

6.2.2 EVAPORADORCalor

Compresor

Calor

Evaporador

Condensador

Entalpia

Presin

Recipiente

Vlvula deexpansin

q p q pen interface entre el

producto o ambiente arefrigerar y el sistema

de refrigeracin

TIPOS DE EVAPORADORES


111/148

Enfriadores de Aire:Serpentn de tubos aleteados




112/148

Enfriadores de lquido (Chillers):


o I.C. Camisa y tubos; Refrigerante en camisa o entubos;

o Variante: Placas (Armarios e I.C. a placas)

Evaporador de carcaza y tuboIntercambiador de placas

i il

l

i li i

Set point

ts t

ti= 0 C

te= -4 C

ts= 1 K

113

DISTRIBUCIN DE TEMPERATURA


113/148

T

L

Ti

To

114

TRANSFERENCIA DE CALOR


114/148

Evaporadores: Diferencia de temperatura AireRefrigerante.

El fenmeno de ebullicin del refrigerante a T=cte permiteescribir la ecuacin para el calor transferido como:

= = (

ln( )

= ( )

= 1

115

TRANSFERENCIA DE CALOR


115/148

Evaporadores: Diferencia de temperatura AireRefrigerante.

El fenmeno de ebullicin del refrigerante a T=cte permiteescribir la ecuacin para el calor transferido como:

= = (

ln( )

= ( )

= 1


116/148

117

SELECCIN:


117/148

1. Determinar el calor a remover (Btu/h). (incluir motores).

2. DETERMINAR CAUDAL DE AIRE . Se calcula en base a

las Btu/ h que es necesario retirar, al Cp y al dif. T delaire (de 2 a 4 C).

3. Determinar el Dif T en el evaporador (depende delproducto). Es la diferencia (T cmaraTr).

4. Hallar F = Q/Dif. T.

5. Con F y el Caudal de Aire elegir el modelo del catlogo.

Enfriadores de Aire

118

SELECCIN:


118/148

EFECTO DE LA DT (

), EN EL SERPENTN

CON RESPECTO A LA HUMEDAD DEL ESPACIO:

HUMEDAD RELATIVADESEADA DEL PRODUCTO

%

CONVECCINNATURAL

DT (F)

( )

CONVECCINFORZADA

DT (F)

( )95-91 12-14 8-10

90-86 14-16 10-12

85-81 16-18 12-14

80-76 18-20 14-1675-70 20-22 16-18

119

OTROS PARMETROS DE SELECCIN:


119/148

OTROS PARMETROS DE SELECCIN:

Forma de alimentacin de refrigerante; Caudal de Aire (Velocidad Frontal);

Superficie hmeda o seca;

Materiales de construccin.

120

ALIMENTACIN DE REFRIGERANTE


120/148

ALIMENTACIN DE REFRIGERANTE

Se utilizan tres mtodos de alimentacin:

Expansin Directa;

Evaporador Inundado;

Recirculacin de Lquido.

121

EVAPORADOR DE EXPANSIN DIRECTA


121/148

En el mtodo, el refrigerante entraen estado mezcla al evaporador, sevaporiza totalmente dentro delserpentn y sale sobre calentado de9 a 12,6 F (5 a 7 C).

El flujo de refrigerante escontrolado por una vlvulatermosttica comandada por unsensor que mide el grado de sobrecalentamiento.

EVAPORADOR DE EXPANSIN DIRECTA

Es el mtodo usado mayoritariamente en equipos depequeo a mediano y con hidrocarburos halogenados.

122

EVAPORADOR INUNDADO


122/148

Utiliza conveccin natural

para hacer circular elrefrigerante a travs delserpentn.

El vapor sale saturado envez de sobrecalentado.

Requiere un tanqueacumulador quemantiene un nivelconstante controlado poruna vlvula de flotador.

Desventajas: Alto costo inicial. Elevado volumen de

refrigerante. Acumulacin de aceite que

requiere purgas frecuentes.

Ventajas: Utiliza el total de la superficie paratransferir calor al lquido.

Buena estabilidad de temperatura. El compresor aspira vapor saturado

(mas fro).

123

DESCONGELADO DE SERPENTINAS


123/148

Es una precaucin a tener en cuenta en evaporadores quetrabajan a T ev < 0C.

La acumulacin de hielo (escarcha) en las superficies obliga atomar precauciones en la seleccin del aleteado y en laoperacin del evaporador.

En cuanto a la seleccin: se deben elegir aleteados con unaseparacin entre aletas de entre 2 a 3 aletas /inch (8 y 12 aletas/mm)

En cuanto a operacin, se debe prever un tiempo diario en que elequipo est fuera de servicio por la operacin de descongelado

(usualmente 1h a 1,5h dependiendo del mtodo empleado).Puede ser mas de una vez al da.

124

DESCONGELADO DE SERPENTINAS


124/148

Todo mtodo presenta limitaciones relacionadas con la

operacin y mantenimiento, tanto de la instalacin,como de los equipos.

Circulacin de aire forzado por la superficie externadel serpentn.Circulacin de salmuera en el interior de los tubos oaspersin de agua en la superficie externa del

serpentn.Aplicacin de resistencias elctricas.Inyeccin de gas caliente (el mtodo predominante).

Los mtodos ms comnmente utilizados son:

125

MATERIALES DE CONSTRUCCIN


125/148

Serpentn de tubos aleteados.

Materiales:

Acero al carbono galvanizado por inmersin en caliente,

aluminio, cobre, acero inox. El Cu no es compatible con el amonaco.

Para refrigerantes CHFC o HFC sirve cualquiera de los

materiales; el mas comn es Cu.

126

EJEMPLO


126/148

Del ejercicio que estamos realizando:

Se necesita seleccionar un evaporador o variosevaporadores, para instalar en una cmara de

almacenamiento de hielo, sabiendo que la carga trmica

producida en el espacio a refrigerar de 24.000 BTU/h(2TR), la temperatura interior para el mantenimiento de

las bolsas de hielo ser de -10F. El refrigerante a utilizar

en el ciclo de refrigeracin R-134A.

127

SELECCIN:


127/148

2. Determinar el Dif T en el evaporador:

De la tabla 1. ubicamos el rango de humedad recomendadapara las fresas, que es: 80 a 85%. Luego de la tabla siguiente:

HUMEDAD RELATIVADESEADA DEL PRODUCTO

%

CONVECCINNATURAL

CONVECCIN FORZADADT (F)

( )95-91 12-14 8-10

90-86 14-16 10-12

85-81 16-18 12-14

Por lo tanto trabajaremos con DT = =10 = 1 0 = 1 0 1 0

128

SELECCIN:


128/148

3. Hallar F = Q/DT:Enfriadores de Aire

F = 1 2 0 0 F =

12.000BTU/h

10

129

SELECCIN:


129/148

4. Con el calor a remover en Btu/hr, F , DT, Tr ( temperatura deevaporacin del refrigerante, elegimos el modelo del catlogo.

Enfriadores de Aire

F=1200 = 12000/

DT=10 =20



130/148


=10


131/148


=20


132/148



133/148



134/148



135/148


Vista lateral


136/148

137

ESPECIFICACIONES TCNICASP t di l i d (02) id d d


137/148

Modelo del evaporador con deshiele elctrico SWE-36-120Numero de aletas por pulgadas: 6 FPI

Capacidad del evaporador en Btu/h 12000 Btu/h

Caudal de aire en PCM 2400 PCM

Numero de ventiladores 2

Dimetro de los ventiladores en pulg 24 pulg

Electricidad 208 V/3 F/60 Hz

Resistencia del deshiele elctrico 3000 W

Tabla. Caractersticas tcnicas del evaporador Marca Carrier.

Para nuestro diseo, se seleccionarn dos (02) unidades evaporadoras conuna temperatura de evaporacin de -20F, diferencial de temperatura entre el

refrigerante y la cmara de 10F, capacidad de enfriamiento de 12000 Btu/hrcada una. Descongelamiento por resistencia. En la tabla siguiente se resumenlas caractersticas tcnicas de cada evaporador:

138

RECORDAR PARA LA SELECCIN:


138/148

1. Determinar el calor a remover (Btu/h). (incluir motores).

2. Determinar el Dif T en el evaporador (depende delproducto). Es la diferencia (T cmaraTr).

3. Hallar F = Q/Dif. T.

4. DETERMINAR CAUDAL DE AIRE . Se calcula en base alas Btu/ h que es necesario retirar, al Cp y al dif. T del

aire (de 2 a 4 C).5. Con el calor a remover en Btu/hr, F y el Caudal de Aire

elegir el modelo del catlogo.

Enfriadores de Aire

139

SELECCIN:


139/148

1. Determinar el calor a remover (Btu/h). (incluir motores).La carga requerida requiere 100.000 BTU/h por unidad.

Agregando un estimado de 3 HP de motores a cada unidad:

Carga de cada evaporador:3 x 4150 = 10.230BTU/h.

Enfriadores de Aire

Calor total a remover = 10.230+ 100.000= 112.450BTU/h.

6.2.3 COMPRESOR



140/148

Calor

Compresor

Calor

Evaporador

Condensador

Entalpia

Presin

Recipiente

Vlvula deexpansin

6.2.3 COMPRESOR


141/148

La tarea del compresor es aumentar la presin del vapor

recalentado que viene del evaporador para que ms tardepueda condensarse por medio de un fluido normal comoagua o aire.

La presin de descarga (presin de condensacin) sedetermina por el medio que se utilice en el condensador(agua/aire). La presin de condensacin no se determinacon el compresor.

La capacidad del compresor normalmente se controla conla presin de aspiracin. El control de capacidad se puede

realizar cargando y descargando cilindros o controlandolas revoluciones de un motor elctrico.

En plantas pequeas el compresor se controla con eltermostato, sin ningn control de capacidad.

Tipos de compresores


142/148

Compresores hermticos- Pistn- Rotativos

- Scroll (Caracola)- Centrfugos- Tornillo

Compresores abiertos- Pistn- Centrifugos- Tornillo

Compresores semihermticos- Pistn- Centrfugos- Tornillo

p p

Compresores abiertos


143/148

Compresores Semi-hermticos


144/148

Compresores hermticos


145/148

Especificaciones y seleccin decompresores


146/148

compresores.

Para seleccionar un compresor para unaaplicacin especfica, se necesitan los siguientesdatos.

- La capacidad refrigerante requerida (toneladas)

- La temperatura de succin saturada, de diseo.- La temperatura de descarga saturada, de diseo.La capacidad refrigerante requerida es elpromedio de la carga horaria obtenida a partir delos clculos de la carga de enfriamiento.

La temperatura de succin saturada de diseo,depende de las condiciones d diseo de cadacaso particular.

Seleccin de una vlvula de expansintermosttica en el catlogo:



147/148

termosttica en el catlogo: 1. Capacidad del evaporador en tons. 2. Tipo de refrigerante en el sistema.

3. Temperatura de evaporacin en oC.

4. Cada de presin en la vlvula de exp. (P VET), en

psi. 5. Temperatura de lquido entrando a la VET, en C.

Seleccin de una vlvula de expansintermosttica en el catlogo:



148/148

termosttica en el catlogo:

Los datos anteriores son para la seleccin en el catlogo.Para obtener estos datos se requieren los siguientes datoscomplementarios: Las presiones y temperaturas de evaporacin y condensacin. La cada de presin del sistema de refrigeracin.

P sistema = P descarga - P succin; Condensa y Evapora. La cada de presin de la lnea de lquido (P lq), incluyendola del distribuidor de lquido en la salida de la VET, si lo hay.

La temperatura del lquido entrando a la VET, que se obtienede la tabla P-T conforme a la presin de entrada de la VET.

= diferencia, o cada, o variacin.P = cada de presin, o variacin de presin, o diferencia de

presin

diseño de cámaras frigorificas

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