Diseño Cámaras Frigoríficas - Pautas

Universidad Austral de Chile
Instituto de Ciencia y Tecnología de los Alimentos (ICYTAL)
Asignatura:
Ingeniería de Procesos III (ITCL 234)
Profesor:
Elton F. Morales Blancas
DISEÑO DE CÁMARAS FRIGORÍFICAS
OBJETIVO
•
•
∴
Velocidad de extracción de Calor ≡ velocidad de ingreso de calor
El aire en el interior debe ser mantenido a temperatura constante de diseño.
El evaporador es diseñado para transferir la carga de calor al refrigerante y el sistema
de refrigeración también diseñado para esta carga de calor.
FUENTES DE CALOR QUE PUEDEN INGRESAR AL AIRE EN UNA CÁMARA
1. Del producto
2. A través de las paredes, techos y pisos
3. A través del intercambio de aire cuando las puertas se abren
4. De las lámparas de luces (focos)
6. De la gente trabajando en el interior
7. De los dispositivos mecánicos (equipos) trabajando en el interior
8. De las estructuras de la cámara, en procesos por batch.
9. De la descongelación del sistema de refrigeración
1. Carga de Calor del producto (Qp)
a) Batch
Qp = M
Δh
t
(J/s)
b) Continuo
Qp = m Δh
(J/s)
donde:
M = Masa del producto por Batch (kg)
Δh = Cambio de entalpía de Tinicial a Tfinal (J/kg)
t
= tiempo proceso de cada batch (s)
m = Masa del producto por unidad de tiempo (kg/s) ó
alimentación del producto.
velocidad
de
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Elton F. Morales Blancas
Cálculo del cambio de entalpía (Δh)
1) Software on-line:
Foodproperty o WebFoodproperty
Disponible en http://www.wamfoodlab.uach.cl
2) Fórmulas:
• Congelación:
Δh = Cu (Ti - Tz) + Δh10 + Cc (-10 - T)
• Refrigeración (enfriamiento)
Δh = Cu (Ti - Tz) + Δh10 + Cc (-10 - T)
donde:
Ti = Temperatura inicial del producto (ºC)
Tz = Temperatura inicial de congelación del producto (ºC).
T
= Temperatura final de proceso (ºC)
Cu = Calor específico del producto no congelado (J/kg ºC)
Cc = Calor específico del producto congelado (J/kg ºC)
Δh10 = Cambio de entalpía de Tz a -10ºC
3) Tablas y Gráficos
• Gráficos preparados ( Riedel) : Entalpía en función de la temperatura
- Carne de Res
- Carne de Pescado
- Frutas y Verduras
Nota:
• Varios productos : Suma total de c/u de ellos.
ΔH total = ΔH1 + ΔH2 + ...................... ΔHn
• Agregar: 10 a 100% para el requerimiento “peak”, cuando el diseño se
basa en la carga “peak”.
• Si el producto congelado ingresa a una temperatura más alta a la de
almacenamiento, la carga de calor puede calcularse:
Δh = C (T’ - T)
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Por Batch: Asumir un día o dos.
• Productos (Frutas y verduras) que respiran
Calor de Respiración:
- 5 - 25 Watts/TM a 0ºC
- 10 - 60 Watts/TM a 4ºC
2. Transmisión de calor por paredes, techos y piso (Qt)
Qt = U A ΔT
ΔT = (Te - Ti)
1
1
L
L
1
=
+ 1 + 2 +
U
hi
K1 K 2
ho
Parámetro dominante
donde:
L
= Espesor de una capa sólida en una pared (m)
K
= Conductividad térmica del material (W/m ºC)
hi
= Coeficiente convectivo en el interior de la cámara (W/m² ºC)
h0 = Coeficiente convectivo en el exterior de la cámara (W/m² ºC)
U
= Coeficiente general de transferencia de calor
Coeficiente convectivo de transferencia de calor (h) depende de la velocidad
del aire sobre las superficies.
• Convección Natural:
− Valor promedio 6.5 W/m² -ºC
• Convección “Forzada”:
− En otras circunstancias:
h = 7.3 v0.8
v = Velocidad del aire (m/s)
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• Para pisos: h0 puede ignorarse y considerar la temperatura del suelo
5 -10ºC
• Paredes Externas:
− Luz solar directa:
incrementa 10 - 15 ºC
− Luz sombreada :
incrementa 5ºC
• Imprevistos (Factor de seguridad)
Adicionar a la carga Qt
- 5 -15% para cuartos grandes
-20 - 50% para cuartos pequeños
Aislantes:
K
Espuma de Poliestireno
0.028 - 0.034 W/mºC
Espuma de Poliuretano
0.022 - 0.030 W/mºC
Corcho
0.036 - 0.045 W/mºC
Fibra de Vidrio
0.042 - 0.050 W/mºC
Concreto
0.8 - 1.0 W/mºC
2. Intercambio de aire (Qi)
Qi =
Ap
2
v ρs (he − hs ) F
donde:
v = Velocidad del aire cuando se abre la puerta (m/s)
Ap = Area de la puerta (m²)
F = Fracción de tiempo que la puerta está abierta durante todo el día (o
ciclo de operación)
ρS = Densidad del aire frío en la cámara (Kg/m³)
hS = Entalpía del aire en el interior de la cámara (J/Kg)
he = Entalpía del aire externo (J/Kg)
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•
Estimación de la velocidad de aire, que ingresa al abrir la puerta:
⎡ h(1-S) ⎤
v = 5.91 ⎢
1.33 3 ⎥
⎣ (1+s ) ⎦
0.5
donde:
h = altura de la puerta (m)
S = cociente de la densidad del aire caliente y frío.
Ecuación aplicable a puertas sin cortinas de aire o “persianas” verticales de
plástico.
• Cortinas de Aire instalados:
reducir hasta 30% el valor de v.
• Cortinas de “Tiras” de plástico: reducir hasta 15% el valor de v.
2. Ventiladores (QV)
a) Placa del motor del ventilador:
Ej: - 5 HP
- Se asume que el motor es sobredimensionado por 10-15%.
QV = 5.0 x 0.746 x 0.88 = 3.28 kW
b) Fórmula potencial del Ventilador :
Energía necesaria para crear un flujo de aire
o
Q V = Q Δρ / ηm η V
(W)
donde:
ΔP = Caída de Presión del ventilador
o
Q
= Caudal de aire (m³/s)
ηm = Eficiencia del motor del ventilador (0.85 - 0.95)
ηV = Eficiencia del Ventilador (0.55 - 0.70)
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Caída de Presión (ΔP): 0.5 - 3.0 pulg H2O (pulg H2O x 248 = Pa)
Flujos de aire: pie ³/min x 0.000472 = m³/s
5. Luces (focos) (Ql)
Ej. Foco de 100 watts añade 100 Watts
•
Se debe considerar sólo la fracción de tiempo que permanecen encenderlo
6. Gente (Qpe)
Entrada de calor =
∴
Convección + Radiación + Contribución por respiración
- Valor promedio
= 300 W
- Alto grado de actividad
= 100 W
- Trabajo a bajas temperaturas (< -20ºC) = 100 W
500 W/persona
Nota: Considerar sólo la fracción de tiempo de trabajo efectivo en las cámaras.
7. Equipos trabajando (Qm)
Qm =HP x 0.746 x
# horas de operación (Equipo)
# horas de trabajo (Sistema de turno)
8. Enfriamiento de la estructura de la cámara (procesos por batch) (Qb)
Componentes:
•
Aire
•
Metal
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•
Concreto
Para cada uno de los componentes, como el metal y concreto, la carga de calor
puede calcularse de la siguiente manera:
Qb = M C (Ti - Ta)/tb
Donde:
M = Masa del material (kg)
C = Calor específico del componente (J/kg ºC)
tb = Tiempo del ciclo por batch (s)
Ti = Temperatura inicial del componente al comenzar el proceso por batch (ºC)
Ta = Temperatura del aire a las condiciones de operación normal (ºC)
Material
C (J/kg ºC)
ρ( kg/m³)
Concreto
600 - 900
2300
Aluminio
880
2700
Acero
500
7800
Aire
1010
La ecuación anterior ignora cualquier cambio en la humedad del aire.
Así, para el aire la carga de calor puede estimarse:
Qb = M (hi - ha) / tb
donde:
hi = Entalpía inicial del aire (J/kg)
ha = Entalpía del aire a la temperatura normal de operación (J/kg)
Entalpía del aire
Cartas Psicrométricas
Tablas
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9.
Descongelamiento del evaporador
− Mientras se está descongelando un evaporador no se puede remover calor del
aire.
∴
El calor que ingresa al aire excederá la velocidad de remoción de calor
durante el periodo de descongelamiento.
− Para considerar el descongelamiento se sigue (Sistemas contínuos o cámaras de
almacenamiento):
Ejm:
9 Descongelamiento se realiza 1 hora /día
9 La carga debe ser removida en 23 hr.
9 Qx
24
⇒ La carga total es incrementada
23
9 Una vez que el evaporador es puesto nuevamente en servicio, la
temperatura del aire bajará rápidamente.