ÁREA MECÁNICA APUNTE UNIDAD N°3 TERMODINÁMICA II Área mecánica – Termodinámica II 1 ÁREA MECÁNICA Índice Introducción ............................................................................................................................................................ 3 Objetivos y Alcances ................................................................................................................................................ 4 Cámara Frigorífica.................................................................................................................................................... 4 1. 2. 3. Dimensionado de la cámara frigorífica ....................................................................................................... 5 1.1. Área de utilización ............................................................................................................................... 5 1.2. Dimensiones de la cámara frigorífica .................................................................................................. 9 Carga térmica de la cámara frigorífica ......................................................................................................... 9 2.1. Materiales de construcción .................................................................................................................. 9 2.2. Transferencia de calor ....................................................................................................................... 12 2.2.1. Carga térmica por pared ................................................................................................................ 13 2.2.2. Carga térmica por renovaciones de aire. ....................................................................................... 14 2.2.3. Carga térmica por producto........................................................................................................... 14 2.2.4. Carga térmica por máquina ........................................................................................................... 17 2.2.5. Carga térmica por personas........................................................................................................... 17 2.2.6. Carga térmica por iluminación ...................................................................................................... 18 2.2.7. Carga térmica total ........................................................................................................................ 18 Selección de equipos y refrigerante del sistema de refrigeración ............................................................. 19 3.1. Selección de refrigerante ................................................................................................................... 21 3.2. Selección de quipos ............................................................................................................................ 22 3.2.1. Compresor...................................................................................................................................... 22 3.2.2. Evaporador. ................................................................................................................................... 26 3.2.3. Condensador. ................................................................................................................................. 26 3.2.4. Válvula de expansión ..................................................................................................................... 28 Área mecánica – Termodinámica II 2 ÁREA MECÁNICA Introducción. Con el paso del tiempo, mantener los productos alimenticios en óptimas condiciones ha pasado de ser una necesidad a un requerimiento indispensable para su comercialización, es por lo mismo que las diferentes empresas e industrias han optado por invertir dinero y esfuerzo en mantener aquellos sistemas que logren dicho fenómeno. La conservación de alimentos o ambientes se logra a través de la refrigeración, la cual se define como aquella rama de la termodinámica que se encarga de reducir y mantener un espacio o material a temperatura inferior con respecto a su alrededor (eliminación de calor), por lo que se su propósito es generar temperaturas donde se conserven en buen estado los distintos productos almacenados. Es importante destacar que cuando se habla de la conservación no tan solo se hace referencia a la disminución de la temperatura, sino también al estado y condición óptima del aire (acondicionamiento del aire), el cual comprende tratar el aire de tal forma que éste se encuentre limpio y a la humedad requerida. Si bien el concepto de refrigeración implica en términos generales eliminar energía calórica de un sólido, líquido o gas, este término será aplicado solo al efectuar enfriamientos a temperaturas cercanas o por debajoa los 0 [°C], lo cual es logrado a través de la trasmisión de calor que transfiere el producto a un fluidorefrigerante de menor temperatura. Dicho fluido refrigerante tiene un comportamiento particular relacionado directamente con el circuito de trabajo, el cual está constituido por cuatro elementos básicos: evaporador, compresor, condensador y la válvula de expansión. Para lograr el proceso de enfriamiento el fluido debe cumplir el siguiente ciclo (ver figuraN°1): (4-1) Ingresa al evaporador en estado líquido a baja presión y temperatura, a medida que circula al interior del intercambiador absorbe energía de los alrededores cambiando a estado gaseoso en un proceso isobárico. (1-2) El compresor toma el fluido en estado gaseoso y reduce su volumen hasta lograr la presión y temperatura necesaria para transferir energía calórica al ambiente, es decir la presión debe ser tal de lograr una temperatura de salida del compresor mayor a la temperatura ambiente. (2-3) Ingresa al condensador un fluido gaseoso a alta presión y temperatura, a medida que este circula por el intercambiador sede energía a sus alrededores cambiando a un estado líquido en un proceso isobárico. (3-4) La válvula de expansión recibe un fluido en estado líquido a alta presión y lo hace pasar por una reducción abrupta de diámetro generando una caída de presión hasta lograr una temperatura inferior a la de los alrededores, de tal forma de absorber energía y reiniciar el ciclo. Área mecánica – Termodinámica II 3 ÁREA MECÁNICA 4 1 2 3 Figura N°1 Sistema de refrigeración básico. Los sistemas de refrigeración por tanto son equipos de trabajo cíclico que permiten por medio de la condición del circuito y propiedades del refrigerante absorber la energía de otro sistema de tal forma de cumplir un requerimiento previo de conservación. Si éste está a temperaturas cercanas o por debajo de los 0 [ °C] se hablará de una cámara frigorífica. Objetivos y Alcances. Este apunte tiene como principal objetivo guiar a los estudiantes en el desarrollo del proyecto de refrigeración, mostrando una secuencia clara y ordenada de cómo se debe enfrentar la problemática y que puntos se debe evaluar. Es importante destacar que los modelos de resolución dependerán del caso particular que se esté evaluando, por lo que el apunte abordará de forma generalizada cada ítem del proyecto con la intención de apoyar a todos los participantes. Cámara Frigorífica. Los proyectos estarán orientados a seleccionar los equipos de un sistema de refrigeración para enfriar un producto determinado al interior de una cámara frigorífica, entendiéndose por esta última como aquel local aislado térmicamente, cuyo interior pueden mantenerse razonablemente constante la temperatura y la humedad relativa. Es decir, una cámara frigorífica deberá estar construida de tal forma que el producto se mantenga en condiciones estables, para lo cual el sistema de refrigeración deberá operar en rangos que satisfagan dicho requerimiento, por lo tanto, una cámara frigorífica estará dividido en (ver figura N°2) Área mecánica – Termodinámica II 4 ÁREA MECÁNICA 1. Dimensionado de la cámara frigorífica. 2. Carga térmica de la cámara frigorífica. 3. Selección de equipos y refrigerante del sistema de refrigeración. Nota: Ambas zonas de evaluación estarán acuñados por las condiciones de confort del producto a conservar. Selección de equipos y refrigerante. Dimensionado y carga térmica. Figura N°2 Zonas de una cámara frigorífica. 1. Dimensionado de la cámara frigorífica. Para comenzar a definir los aspectos constructivos de la cámara frigorífica es necesario conocer las condiciones de borde que tiene el proyecto, tales como: tipo de producto, cantidad de producto, forma de almacenaje, temperatura de conservación, ubicación, temperatura del bulbo seco, presión atmosférica, altitud, cantidad de aberturas de la cámara y humedad requerida. Puesto que estas variables permitirán determinar el área de utilización y las dimensiones de la cámara. 1.1. Área de utilización. El concepto de área de utilización (AT) se entenderá como la superficie plana que ocupará el producto cuando esté siendo almacenado al interior de la cámara frigorífica, por lo que dependerá del apilamiento, condiciones de almacenamiento y vías de tránsito. A continuación, se indicarán algunos factores a tener en cuenta para poder determinar esta variable [1]. [1] Dichos factores están acuñados por el reglamento sanitario de los alimentos DTO N°977/96 y la UF0162 - Operaciones culturales, recolección, almacenamiento y envasado de productos agrícolas. Área mecánica – Termodinámica II 5 ÁREA MECÁNICA 1. Recipiente para el almacenamiento: como característica principal éstos deben ser lavables, no tóxicos, protectores y conservadores del producto, de igual forma deben ser coherentes con el producto a almacenar, ya que dichos recipientes están diseñados para una cierta carga de producto (CPR) y de apilamiento (CA) (ver figura N°3). Use los siguientes links para orientarse: http://www.serinplasticos.com/productos.php https://www.dissetodiseo.com/producto/cajas-de- plastico-para-frutas-y-vegetales/. Carga de apilamiento Carga de producto. Figura N°3 Tipos de carga a las que está sometido un recipiente de almacenamiento. 2. Pallets: como característica de almacenamiento se debe impedir el contacto directo entre el suelo y los recipientes del producto, por lo que el uso de pallets es obligatorio. Estos deben estar directamente relacionados con el recipiente seleccionado, ya que se debe considerar la carga estática (CE) y dinámica (CD) que deben soportar los pallets y contrastarla con la carga que genera por cada recipiente, lo cual delimitará la cantidad de pallets a utilizar. Es importante destacar que la carga estática se entiende como carga de apilamiento y la carga dinámica como la carga de producto (ver figura N°4) Figura N°4 Tipos de carga a las que está sometido un pallet. Área mecánica – Termodinámica II 6 ÁREA MECÁNICA Use los siguientes links como apoyo para la selección de pallets: http://www.palets.com.es/index.php/es/palets/plastico/palet-plastico-higienico-1200-x-1000plasteel-210-medidas http://www.decavi.com/?products=palet-plastico-ligero. 3. Espacios de circulación de aire: Se deberá considerar un espacio entre los pallets de 10 [cm] y entre pallets y paredes laterales de 20 [cm], con la intensión de permitir la circulación de aire. 4. Espacio de tránsito: Se deberá considerar pasillos de un ancho entre 1.5 [m] y 2 [m], de tal forma de poder circular libremente con los pallets. 5. Cantidad de Recipientes de Almacenamiento (RA): se entiende como el número de recipientes necesarios para almacenar el total de producto requerido o demandado, por lo que su valor dependerá directamente de la carga total de almacenamiento (CTA) [2], quedando determinado por: RA CTA (EC. N°1) CPR Dónde: RA Cantidad de Recipientes de Almacenamiento. CTA CPR Carga Total de Almacenamiento en [kg]. Carga de producto del Recipiente en [kg]. [3] 6. Cantidad de Pallets (P): se entiende como el número de pallets necesarios para apilar el total de recipientes de almacenamiento. Este valor estará relacionado con las siguientes variables: a) Cantidad de recipientes que cubren el área del pallet (RCP): esta variable quedará dada por la relación existente entre el área del pallet y el área del recipiente. RCP AP (EC. N°2) AR Dónde: RCP Cantidad de Recipientes que Cubren el área del Pallets. AP Área del pallet en [m2]. AR Área del recipiente [m2]. [2] Entiéndase por carga total de almacenamiento como la cantidad de producto en [kg] que se debe almacenar en la cámara frigorífica. [3] Este valor está dado por el catálogo del recipiente y hace referencia a la carga máxima en [kg] que puede soportar. Área mecánica – Termodinámica II 7 ÁREA MECÁNICA a) Cantidad de Pilas de Recipientes en el Pallets (PR): esta variable dependerá de la carga de producto del recipiente, la cantidad de recipientes que cubren el área del pallet y la cargadinámica que soporta este mismo. CD PR (EC. N°3) RCP CPR Dónde: PR RCP CD Cantidad de Pilas de Recipientes Apilados en el Pallets. Cantidad de Recipientes que Cubren el área del Pallets. Carga Dinámica en [kg]. CPR Carga de producto del Recipiente en [kg]. b) Cantidad de Recipientes por Pellet (RP): esta variable quedara dada por el producto entre la cantidad de pilas y la cantidad de recipientes que cubren el área del pallet. RP PR RCP (EC.N°4) Dónde: RP PR RCP Cantidad de Recipientes por Pallet. Cantidad de Pilas de Recipientes en el Pallet. Cantidad de Recipientes que Cubren el área del Pallet. Una vez determinado las variables anteriores se puede calcular la Cantidad de Pallets (CP), la cual estará dada por el cociente entre la Cantidad de Recipientes de Almacenamiento (RA) y la Cantidad de Recipientes por Pallet (RP). CP RA RP Dónde: CP RA RP (EC.N°5) Cantidad de Pallet. Cantidad de Recipientes de Almacenamiento. Cantidad de Recipientes por Pallet. 7. Layout: Por último, para determinar el área de utilización es necesario realizar un plano de planta de la cámara frigorífica, donde se indique la disposición de los pallets y se considere el espacio de circulación de aire, así como también los pasillos de tránsito para la circulación de personas y vehículosde carga. Nota: Es posible disminuir el área de utilización apilando los pallets, pero para ello se debe considerar la carga estática que puede soportar este mismo y la compresión máxima a la que puede estar sometida el producto y el recipiente de almacenamiento sin que se dañen. Área mecánica – Termodinámica II 8 ÁREA MECÁNICA 1.2. Dimensiones de la cámara frigorífica. Una vez determinada el área de utilización de la cámara frigorífica es posible definir las dimensiones de ésta, el largo y ancho quedarán delimitados por el layout elaborado en los ítems anteriores y el alto dependerá de las siguientes variables: a) Alto mínimo de fabricación: según el reglamento sanitario de los alimentos DTO N°977/96 establece que la altura mínima de fabricación de los establecimientos de conservación de producto es de 1.8 [m]. b) Separación entre el techo y los recipientes de almacenamiento: según UF0162 - Operaciones culturales, recolección, almacenamiento y envasado de productos agrícolas establece que debe existir una distancia mínima entre el techo y la última caja de 40 [cm]. c) La altura del pallet (HP): quedará definida por el producto de la cantidad de pilas de recipientes en el pallet (PR) y la altura del recipiente (HR) [4]. HP PR HR (EC.N°6) Dónde: HP PR HR Altura del Pallet. Cantidad de pilas de recipientes en el pallet. Altura del recipiente en [m]. Definido todo lo anterior es posible indicar con claridad las dimensiones que tiene el recinto, solo falta indicarla zona en la cual se ubicará la puerta de acceso a la cámara para tener el plano de construcción. 2. Carga térmica de la cámara frigorífica. 2.1. Materiales de construcción. Una vez delimitada las dimensiones de la cámara frigorífica se puede calcular el espesor del aislante. Para ello es necesario considerar lo estipulado en la norma UNE-EN ISO 12241:2010 la cual indica que transferencia máxima de calor por unidad de área (q”) que debe circular a través de las paredes que forman elcerramiento del recinto debe ser de 6.98 [W/m2]. Por lo que el modelo matemático del flujo calórico que atraviesa un muro en régimen estacionario cuyos lados existen temperaturas exteriores (TE) e interiores (TI) donde se cumpla que TE > TI quedara dado por: 𝑄̇ = 𝑈 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇 → 𝑞" = 𝑄̇ = 𝑈 ∙ ∆𝑇 (𝐸𝐶. 𝑁°7) 𝐴 [4] Esta dimensión sale indicada en los manuales de los proveedores de los recipientes. Área mecánica – Termodinámica II 9 ÁREA MECÁNICA Dónde: 𝑄̇ U A ∆T q" Transferencia de energía calórica por conducción en [BTU]. Coeficiente global de trasmisión de calor [𝑊/𝑚2 ∙ °𝐶] Área de transferencia de calor [m2]. Diferencial de temperatura en [°C]. Transferencia de calor por unidad de área. (6.98 [W/m2]) Al analizar la ecuación N°7 es posible identificar un término nuevo con respecto a lo estudiado en cursos anteriores, este es el coeficiente global de trasmisión (U), variable que marca la intensidad total de transferencia de calor a través de un material y está directamente relacionada con el coeficiente de conductividad térmico y el espesor de la capa aislante del material del cerramiento del recinto, por lo que su modelo matemático quedará expresado de la siguiente forma: U k X Dónde: U k X (EC. N°8) Coeficiente global de trasmisión de calor [𝑊/𝑚2 ∙ °𝐶]. Coeficiente de conductividad térmica [𝑊/𝑚 ∙ °𝐶]. Espesor de la pared aislante en [m]. Dado lo anterior es posible definir que para una pared compuesta paralela y sometida a trasferencia de calor por convección, el coeficiente global de trasmisión quede expresado de la siguiente forma: 𝑛 𝑘 𝑈 = ℎ𝑖 + ∑ [ ] + ℎ𝑒 (𝐸𝐶. 𝑁°9) 𝑋𝑀 𝑚=1 hi Coeficiente global de trasmisión de calor por convección de la lámina interior [𝑊/𝑚2 ∙ °𝐶]. he Coeficiente global de trasmisión de calor por convección de la lámina exterior [𝑊/𝑚2 ∙ °𝐶]. Ahora bien, cuando el objetivo es determinar el espesor de la pared aislante es conveniente trabajar con la resistencia térmica global del sistema o también conocida como coeficiente global de pérdida (Rg), el cual queda dado de la siguiente forma: 1 𝑅𝑔 = Dónde: Rg 𝑈 1 = 𝑛 𝑘 1 +∑[ ] + (𝐸𝐶. 𝑁°10) 𝑋 𝑀 ℎ𝑒 ℎ𝑖 𝑚=1 Coeficiente global de pérdida en [𝑚2 ∙ °𝐶/𝑊] Área mecánica – Termodinámica II 10 ÁREA MECÁNICA Cabe destacar que los valores de 1/hi y 1/he deben estimarse, en función de la posición del cerramiento, el sentido del flujo de calor y la situación que esté presente. Para ello se utilizarán las siguientes tablas: Tabla 1. Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con el aire exterior en [𝑚2 ∙ 𝐾/W].Norma chilena. Tabla 2. Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con una partición interior en en [𝑚2 ∙ 𝐾/W]. Norma chilena. Otro valor necesario para determinar el espesor del aislante es la temperatura exterior [5], la cual se obtendrá del portal web: climate-data.org, linK: https://es.climate-data.org/, y se deberá corregir según la orientación de la cámara, para esto utilice la siguiente tabla: [5] Es importante en este destacar que se debe tomar la temperatura máxima promedio del año, con la intención de trabajar en la condición más desfavorable. Área mecánica – Termodinámica II 11 ÁREA MECÁNICA Orientación. Norte Sur Este Oeste Cubierta Suelo Paredes inter. Temperatura exterior de cálculo (Tec) en °C 0.6 TE TE 0.8 TE 0.9 TE TE + 12 (TE + 15)/2 0.75 TE Tabla 3. Temperatura exterior de cálculo. Portal web: Climayoreo.com; link: http://www.climayoreo.com/blog/c%C3%A1lculo-de-cargas-t%C3%A9rmicas. Nota: en el siguiente link se encontrará un catálogo técnico de termo paneles para construcción de cámaras frigoríficas. http://instaclack.com/pdf/catalogo_tecnico2.pdf. Transferencia de calor. 2.2. Para comenzar a determinar la transferencia de calor o carga térmica del sistema es necesario definir las condiciones de confort para el producto, las cuales se rescatarán de la siguiente tabla: Producto. Higo fresco. Higo seco. Limón. Manzana. Naranja. Piña madura. Plátano. Pomelo. Sandia. Uva. Apio. Berenjena. Esparrago. Patatas. Tomates. Zanahorias. Aves. Cerdo. Cordero. Pescado. Calor especifico por encima de la congelación. (kcal/kg*°C) 0.88 0.47 0.90 0.92 0.89 0.90 0.80 0.92 0.92 0.92 0.95 0.91 0.95 0.79 0.92 0.87 0.80 0.51 a 0.68 0.66 0.82 Calor especifico congelado. (kcal/kg*°C) 0.48 0.32 0.39 0.39 0.39 0.46 0.43 0.49 0.47 0.37 0.48 0.45 0.48 0.42 0.46 0.45 0.38 0.38 0.37 0.41 Temperatura de congelación. (°C) -2.7 NA -2.2 -2 -2.2 -1.2 -3.3 a -1.1 -2 -1.6 -2.5 -1.3 -.0.9 -1.2 -1.7 -0.9 -1.3 -2.8 -2.2 a -1.7 -2.2 a -1.7 -2.2 Calor latente (kcal/kg) Temperatura de almacenamiento. (°C) Humedad de almacenamiento. (%) Periodo de almacenamiento. (semanas) 64.5 23.91 70.06 66.72 69.5 71.17 60.05 71.17 75.06 46.15 75.06 73.39 74.5 58.94 73.39 66.16 47.82 47.82 46.15 55.16 28 a 32 40 a 45 12.8 a 14.4 -1.1 a 0 1.1 a 3.3 4.4 a 7.2 12.8 a 15.6 0 a 12.8 2.2 a 4.4 -0.6 a 0 -0.6 a 0 7.2 a 10 0 3.3 a 10 12.8 a 21.1 0 0 0 a 1.1 0 a 1.1 0.6 a 4.4 65 a 75 65 a 75 85 a 90 85 a 88 85 a 90 85 a 90 90 85 a 90 75 a 85 80 a 85 90 a 95 85 a 90 85 a 90 85 a 90 85 a 90 95 a 98 80 85 a 90 85 a 90 90 a 95 1 39 a 52 1a4 9 a 30 8 a 10 2a4 NA 6a8 2a3 3a8 9 a 17 1a2 3a4 22 a 52 3a5 17 a 21 1 1 1a2 1a3 Tabla 4. Requerimiento y propiedades de almacenamiento para los productos perecederos. Fuente del contenido: Manual de Ingeniería BOHM. Área mecánica – Termodinámica II 12 ÁREA MECÁNICA Una vez determinado las condiciones de confort del producto, se debe iniciar con el cálculo de las cargas térmicas, por lo que se entenderá como carga térmica total la suma de todas las energías que el sistema debe absorber para mantener la temperatura de almacenamiento o congelamiento del producto, éstas son: a) b) c) d) e) f) 2.2.1. Carga térmica por paredes. Carga térmica por renovaciones de aire. Carga térmica por producto. Carga térmica por máquina. Carga térmica por personas. Carga térmica por iluminación. Carga térmica por pared. Como se indicó en la ecuación N°7 el modelo matemático del flujo calórico que atraviesa un muro en régimen estacionario queda determinado por: 𝑄̇ = 𝑈 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇 (𝐸𝐶. 𝑁°7) Donde, la variación de temperatura para almacenar el producto quedara dada por: T Tec TF (EC. N°11). Dónde: Tec TF Temperatura exterior de cálculo. Temperatura final de almacenamiento. Por lo que la carga térmica por pared (Qp) será la suma de todas las pérdidas de energía generadas por la transferencia de calor, por lo cual quedará dada por: n Qp U A T (EC. N°12) M1 M Nota: es importante destacar que la situación de congelación y almacenamiento es totalmente distinta por lo que las cargas térmicas cambiarán en dicha condición. 2.2.2. Carga térmica por renovaciones de aire. Área mecánica – Termodinámica II 13 ÁREA MECÁNICA La carga térmica para evacuar de un recinto frigorífico debida a la renovación de aire es una variable que incluye aquellas renovaciones que técnicamente son aconsejables para la buena conservación del producto, como las infiltraciones de aire a través de las puertas, cuando estas se encuentran abiertas. Para calcularla se utilizarán las siguientes ecuaciones: QR NR (hext hint ) (EC. N°13) Dónde: Volumen de la cámara frigorífica. Densidad del aire. (1.2 [kg/m3]) NR Número de renovaciones. (Ver Tabla 5) ℎ𝑖𝑛𝑡 Entalpía del aire exterior en [kJ/kg]. ℎ𝑒𝑥𝑡 Entalpía del aire exterior en [kJ/kg]. Ver Psicometría Volumen (m3) 2.5 3 4 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 80 Renovaciones por día (N/d) Tem < 0°C Tem > 0°C 52 70 47 63 40 53 35 47 28 38 24 32 19 26 16.5 22 14.5 19.5 13 17.5 11.5 15 10 13 9 12 7.7 10 Volumen (m3) 100 150 200 250 300 400 500 600 800 1000 1500 2000 2500 3000 Renovaciones por día (N/d) Tem < 0°C Tem > 0°C 6.8 9 5.4 7 4.6 6 4.1 5.3 3.7 4.8 3.1 4.1 2.8 3.6 2.5 3.2 2.1 2.8 1.9 2.4 1.5 1.95 1.3 1.65 1.1 1.45 1.05 1.05 Tabla 5. Renovaciones de aire por día en función del volumen de la cámara. 2.2.3. Carga térmica por producto. Las principales cargas térmicas generadas por el producto almacenado son: Calor del producto para llevarlo a la temperatura del espacio refrigerado: esta se entenderá como la energía calórica que se debe extraer para llevar al producto a la temperatura de la cámara frigorífica, y dependerá: Área mecánica – Termodinámica II 14 ÁREA MECÁNICA - Calor sensible a extraer, para enfriar el producto, desde su temperatura inicial hasta la de congelación. QS CTA Ce (Td Tc) (EC. N°14) 20649.6 Dónde: Qs CTA Carga térmica sensible del producto [kW]. Carga Total de Almacenamiento en [kg]. Ce Calor especifico del producto por encima de la congelación en [kcal/kg*°C]. Td Tc Temperatura de descarga del producto en [°C]. Temperatura de congelación del producto en °C. - Calor latente a extraer, para congelar el producto. CTA CL (EC. N°15) QL 20.649,6 Dónde: QL CTA CL Carga térmica latente del producto [kW]. Carga Total de Almacenamiento en [kg]. Calor latente del producto [kcal/kg*°C]. - Calor sensible a extraer, para enfriar el producto desde su temperatura de congelación hasta la temperatura final deseada (por debajo de la congelación). QC CTA CC (TC TF) (EC. N°16) 20.649,6 Dónde: QC CTA Carga térmica sensible de congelación del producto [kW]. Carga Total de Almacenamiento en [kg]. CC Calor específico del producto por debajo de la congelación en [kcal/kg*°C]. TF TC Temperatura final de almacenamiento en [°C]. Temperatura de congelación del producto en [°C]. Área mecánica – Termodinámica II 15 ÁREA MECÁNICA Calor de respiración generado por parte de los productos refrigerados y los ya almacenados: Las frutas y los vegetales continúan con vida después de su recolección y continúan sufriendo cambios mientras están almacenadas. Lo más importante de esos cambios son los producidos por la respiración, que es un proceso durante el cual el oxígeno del aire se combina con los carbohidratos en el tejido de la planta dando como resultado la formación de dióxido de carbono y calor. El calor eliminado es llamado calor de respiración y debe ser considerado como una parte de la carga del producto donde cantidades considerable de frutas y/o vegetales están almacenados a una temperatura superior a la de congelación. La cantidad de calor involucrada en el proceso de respiración depende del tipo y temperatura del producto. La carga del producto proveniente del calor de respiración se calcula multiplicando la masa total del producto por el calor de respiración. CTA CR (EC. N°17) Q R 20.649,6 Dónde: QR CTA CR Carga térmica de respiración del producto [kW]. Carga Total de Almacenamiento en [kg]. Calor de respiración [kcal/kg*°C]. (Ver Tabla 6) Producto. Higo fresco. Higo seco. Limón. Manzana. Naranja. Piña madura. Plátano. Pomelo. Sandia. Uva. Apio. Berenjena. Esparrago. Patatas. Tomates. Zanahorias. Aves. Cerdo. Cordero. Pescado. Calor de respiración (kcal/kg) 0.55 0.25 0.2 4 0 0.5 1.5 0.65 0.5 0 0 0 0 Tabla 6. Calor de respiración. Área mecánica – Termodinámica II 16 ÁREA MECÁNICA Nota: Si no se conoce el valor del calor de respiración del producto diario de entrada en la cámara se toma el valor de 2,2 [kcal/kg] Por lo tanto, la carga térmica por producto (Qpr) quedará dada por: QPr QS QL QC (EC. N°18) 2.2.4. Carga térmica por máquina. Es el calor debido al trabajo de los motores y las máquinas en el espacio frío. El más típico es el calor causado por los motores de los ventiladores del evaporador, pero también se debe contar, cualquier máquina que desarrolle su trabajo dentro de la cámara. Debido a que tanto la potencia de los motores como el número de horas de funcionamiento de los mismos no son conocidos a priori, en la práctica y de forma bastante aproximada se toma como equivalente calorífico del trabajo de los ventiladores un valor entre el 5% y el 8% dela carga térmica por pared, renovaciones de aire y producto. Por lo tanto: Qm 0,08 (QP QPr QR ) (EC. N°20) 2.2.5. Carga térmica por personas. El personal que almacena o manipula productos en una cámara frigorífica aporta calor, sobre todo si realiza un trabajo intenso. QPe q n (EC. N°21) Dónde: QPe Carga térmica por persona en W. q Potencia liberada por persona en W. (Ver Tabla 7) n Número de personas. Temperatura de la cámara °C 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 Potencia liberada por persona en (w) 210 240 270 300 330 360 390 420 Tabla 7. Potencia liberada por persona. Área mecánica – Termodinámica II 17 ÁREA MECÁNICA 2.2.6. Carga térmica por iluminación. La potencia eléctrica dedicada a la iluminación puede determinarse según criterios estandarizados. Lo usual es prever dos niveles de iluminación diferentes para zona de almacenaje y zona de trabajo, en el caso de que hubiese dos zonas. Estos valores son respectivamente, de 12 y 27 [W/m2]. Las lámparas de incandescencia invierten una parte de la potencia consumida en producir calor. Los fluorescentes, a causa de la potencia reactiva, producen un 30% más, por lo que no suelen utilizarse. Qi i AC (EC. N°21) Dónde: Qi i AC 2.2.7. Carga térmica por Iluminación [W]. Potencia de iluminación [W/m2]. Área de la cámara [m²]. Carga térmica total. Para obtener la carga térmica total deben sumarse todas las cargas obtenidas anteriormente y aplicarle un factor de seguridad del 10 %. QT 1.1(QP QR QPr Qm QPe Qi ) (EC. N°22) Área mecánica – Termodinámica II 18 ÁREA MECÁNICA 3. Selección de equipos y refrigerante del sistema de refrigeración. Como bien es sabida por condición natural la energía calórica va de una fuente de alta temperatura a una de baja temperatura, por lo que para generar el proceso inverso es necesario un dispositivo conocido como refrigerador, dicho dispositivo trabaja en un proceso cíclico, con un fluido que permite absorber la energía calórica en una condición del sistema y cederla en otra etapa de éste. Las condiciones del estado del fluido refrigerante se pueden observar en la curva P-h (Presión – Entalpia) o también conocido como diagrama de Mollier, en honor al Físico Alemán Richard Mollier, que se muestra a continuación. Figura N°5. Ciclo del refrigerante en los puntos más significativos. Para poder seleccionar los equipos de un sistema de refrigeración es necesario trazar la gráfica P-h, por lo cuala continuación se indicarán los parámetros de entrada para dicha operación: a) Temperatura de evaporación (Tevap): temperatura a la cual el fluido se encuentra en un proceso isotérmico, por lo que para cambiar de estado líquido a gaseoso necesita absorber energía (calor latente). Esta variable se determinará a partir de la temperatura interior y el salto de temperatura (dT), este último se determinará de la gráfica que se muestra en la Figura N°6. TEvap TF dT (EC. N°23) Área mecánica – Termodinámica II 19 ÁREA MECÁNICA Dónde: Tevap Temperatura de evaporación en °C. TF Temperatura final de almacenamiento en °C. dT Salto de temperatura en °C. Figura N°6. Grafica salto de temperatura versus humedad relativa del aire para conservación del producto. b) Temperatura de condensación (TCon): temperatura a la cual es fluido se encuentra en un proceso isotérmico, por lo que para cambiar de estado de gaseoso a líquido necesita ceder energía (calor latente). Esta variable se determina a partir de la temperatura del exterior, considerando un salto de temperatura entre 10 a 20 °C. TCon TE dT (EC. N°24) Dónde: Tcon Temperatura de condensación en °C. TE Temperatura exterior en °C. dT Salto de temperatura en °C. c) Recalentamiento y Subenfriamiento: estos valores son un aporte de calor sensible dados para asegurarse que el fluido ingrese en el estado que corresponda a los equipos de cambios de presión del sistema (válvula de expansión y compresor) y se considera como estándar 3 °C para ambos. Área mecánica – Termodinámica II 20 ÁREA MECÁNICA 3.1. Selección de refrigerante. Una vez determinado las temperaturas del sistema es necesario decidir que refrigerante es el más idóneo para la aplicación, para ello se debe trazar cada gráficas de Mollier representativa a cada fluido refrigerante que se disponga y considere para el proyecto, de tal forma de contrastar los parámetros más relevantes del sistema. Para esto es necesario elaborar un cuadro comparativo donde se contrasten las variables representativas del sistema, tal como se muestra en la Figura N°7. Figura N°7. Cuadro comparativo para la selección de refrigerante. Cabe destacar que la gran mayoría de las variables que se muestran en la Figura N°7, serán abordadas en los puntos siguientes o se han sido vistan en cursos anteriores. Por otro lado los refrigerantes recomendados para la aplicación son: R404A, R407A, R507 y R717. A continuación se presentan algunos link para descargar sus gráficas de Mollier. - http://www.elohim.cl/download/404a.pdf https://www.gas-servei.com/images/Ficha_tecnica_R407A.pdf. http://www.pchetz.com/_Uploads/dbsAttachedFiles/molier_r507.pdf. http://www.elohim.cl/download/nh3.pdf. Área mecánica – Termodinámica II 21 ÁREA MECÁNICA Selección de quipos. 3.2. Una vez determinado el refrigerante del sistema y trazada la gráfica se comienza con la selección de los equipos primarios del sistema. 1. 2. 3. 4. 3.2.1. Compresor. Evaporador. Condensador. Válvula de expansión. Compresor. El compresor es el elemento más importante de una instalación frigorífica y es el primero que debe determinarse, ya que el resto de los elementos de la instalación, especialmente el evaporador, se deben seleccionar en función de las características de éste, con motivo de evitar que la instalación quede descompensada y pueda dar problemas de funcionamiento. Otro aspecto importante a destacar es contar con catálogos actualizados de los diferentes elementos frigoríficos que existen en el mercado, ya que esto permitirá una selección ágil y rápida de los dispositivos del sistema. En los siguientes link se pueden encontrar catálogos de equipos: https://issuu.com/atirefrigeracion/docs/compresor_alternativo_todas_las_mar/20 http://www.antartic.cl/Pdf/Cat_2002C1.pdf http://pdf.directindustry.es/pdf-en/gea-bock/bock-compressors-mobile-applications/17564-560307_8.html. Para comenzar a calcular se debe tener claro en primer lugar, cuales son los parámetros a conocer del compresor para proceder con la selección de éste en los catálogos recopilados. Por lo mismo es que acontinuación se explica cada uno de ellos: a) Relación de presión: se puede definir como el cociente entre la presión absoluta de condensación (Pcon) y la presión absoluta de evaporación (Pevap). RP Pcon (EC. N°25) Pevap Dónde: RP Relación de presión. Pcon Presión de condensación. Pevap Presión de evaporación. Área mecánica – Termodinámica II 22 ÁREA MECÁNICA b) Flujo másico del refrigerante: uno de los datos más relevantes para la selección del compresor es determinar la cantidad de masa de refrigerante que debe hacer circular éste por el evaporador para lograr absorber la carga térmica total de la cámara frigorífica. m QT (EC. N°26) h1' h4' Dónde: m Flujo másico de refrigerante en [kg/s]. QT Carga térmica total en [kW]. h1’ Entalpia del estado 1’ en [kJ/kg]. (Ver Figura N°5) h4’ Entalpia del estado 4’ en [kJ/kg]. (Ver Figura N°5) Nota: las entalpías de los estados se obtendrán de la gráfica de Mollier. c) Flujo de refrigerante aspirado: como los compresores son máquinas volumétricas no es posible seleccionarlos según su flujo másico, por lo tanto se hace fundamental determinar el volumen de fluido que este transporta en el sistema, para ello se debe conocer el volumen específico del refrigerante en el estado 1’ (ver figura N°5) y el flujo másico de refrigerante. A me (EC. N° 27) Dónde: A Flujo de refrigerante aspirado en [m3/s]. m e Flujo másico de refrigerante en [kg/s]. Volumen específico del refrigerante en el estado 1´ en [m3/kg]. d) Volumen de barrido: dado que la variable anterior está determinada en condiciones normales de trabajo, es necesario sobre dimensionarla, para ello se considerará el rendimiento volumétrico que presenta el equipo en funcionamiento. b A v (EC. N°28) Dónde: b Volumen de barrido en [m3/s]. A Flujo de refrigerante aspirado en [m3/s]. v Rendimiento volumétrico. Área mecánica – Termodinámica II 23 ÁREA MECÁNICA e) Rendimiento volumétrico: se entenderá como la relación que hay entre el volumen de barrido y el flujo de refrigerante aspirado, e indicará cuanto del volumen total de refrigerante impulsado por el compresor, realmente llega al sistema de refrigeración. Este estará directamente ligado con la relación de presión del compresor, de forma que si Rp aumente disminuye el rendimiento volumétricoy por tanto es peor para la instalación. v 1 0.05 RP (EC. N°29) f) Cilindrada unitaria: otro parámetro a determinar es la cantidad de volumen que desplazar la unidad compresora del sistema de refrigeración. CU b N 0.06 (EC. N°30) Dónde: b Volumen de barrido en [m3/h]. CU Cilindrada unitaria en [dm³] N Velocidad del compresor en RPM. g) Potencia teórica del compresor: se entenderá como la cantidad de energía por unidad de tiempo que debe agregar el compresor para aumenta la presión en el sistema. Wt m(h2 h1') (EC. N°31) Dónde: Wt h1' Potencia teórica del compresor en [kW]. h2 Entalpía del estado 2 en [kJ/kg]. (Ver Figura N°5) m Flujo másico de refrigerante en [kg/s]. Entalpía del estado 1’ en [kJ/kg]. (Ver Figura N°5) h) Potencia real del compresor: debido a que los sistemas no presentan una eficiencia del cien por ciento, existirá una condición real y teórica de la energía entregada por el compresor, por lo que la potencia real no será más que el producto entre la potencia teórica de éste y el rendimiento indicado del sistema. Wa Wt i (EC. N°32) Área mecánica – Termodinámica II 24 ÁREA MECÁNICA Dónde: Wt Potencia teórica del compresor en [kW]. Wa i Potencia real del compresor en [kW]. Rendimiento indicado. Nota: es importante destacar que el rendimiento indicado presenta valores muy cercanos al rendimiento volumétrico, es por esto mismo que para efectos de cálculos se considerará que: i v (EC. N°33) Aunque es posible determinar el rendimiento indicado, siempre y cuando se tenga la temperatura del estado 2’ (2a). (Ver Figura N°5) i i) h2 h1' (EC. N°34) h2a h1' Potencia eléctrica del motor para el compresor: se entenderá como aquella potencia que debe tener el motor eléctrico para que el compresor logre mover el volumen de fluido en la condición requerida por las bases del diseño de la cámara frigorífica. Wa (EC. N°35) PotE m e Dónde: PotE Potencia eléctrica en [kW]. Wa m Potencia real del compresor en [kW]. Rendimiento mecánico dado por las pérdidas por rozamientos. (0.85 a 0.9) e Rendimiento eléctrico dado por las pérdidas de energía calórica. (0.95) Todos los datos anteriores permiten seleccionar adecuadamente un compresor, tal como se muestra en la Figura N°8, todos estos son necesarios para ingresar al catálogo del equipo. Área mecánica – Termodinámica II 25 ÁREA MECÁNICA Figura N°8. Extracto de catálogo de compresores. 3.2.2. Evaporador. Para la selección del evaporador es necesario tener en claro los siguientes puntos: La potencia frigorífica (Qevap) que es equivalente a la carga térmica total del sistema, el tipo de circulación de aire, el salto de temperatura, temperatura de evaporación, ya que son estos parámetros los solicitados para la selección del equipo, talcomo se puede ver en la Figura N°9. Figura N°9. Extracto de catálogo de evaporadores. 3.2.3. Condensador. El condensador es el elemento de la instalación cuya misión es que el fluido refrigerante seda energía al ambiente para pasar al refrigerante de estado gaseoso a líquido, para ello debe tener el tamaño adecuado para ser capaz de eliminar el calor que capta el refrigerante en el evaporador, así como el proceso de compresión. La potencia del condensador, por tanto, será la suma de la carga térmica total del evaporador o dela instalación y la potencia real del compresor. Área mecánica – Termodinámica II 26 ÁREA MECÁNICA Qcond Qevap wa (EC. N°36) Dónde: Qcond Potencia de condensación en [ kW]. Wa Potencia real del compresor en [kW]. Qevap Potencia de evaporación en kW. ( Qevap QT ) La selección del condensador se debe hacer mediante los catálogos de los fabricantes, considerando los factores de corrección de la potencia en función de las condiciones de funcionamiento, tales como: El salto térmico: ya que a mayor salto térmico menor será la unidad condensadora. Temperatura ambiente: ya que a mayor temperatura ambiente mayor será la unidad condensadora. Por lo tanto la potencia de condensación corregida quedará dada por: QCC Qevap wa (EC. N°37) F 1F 2 Dónde: QCC Potencia de condensación corregida en [ kW]. F1 Factor de corrección por salto de temperatura. F2 Factor de corrección por temperatura ambiente. Los factores de corrección se presentan a continuación en la Tabla 8. ∆T F1 TE F2 8 0.53 15 1.05 9 0.6 10 0.67 20 1.04 Corrección por salto térmico. 11 12 13 14 0.73 0.8 0.87 0.93 Corrección por temperatura ambiente. 25 30 35 1.02 1 0.94 15 1 16 1.07 40 0.98 45 0.94 17 1.13 18 1.2 50 0.92 Tabla 8. Factores de corrección para la unidad de condensación. Área mecánica – Termodinámica II 27 ÁREA MECÁNICA 3.2.4. Válvula de expansión. La selección correcta de una válvula de expansión requiere determinar: - - El tipo de cuerpo de válvula, las conexiones y si va a ser de orificio fijo o de orificio intercambiable. Las de orificio intercambiable son muy versátiles, con el mismo cuerpo cambiando simplemente el orificio obtendremos potencias diferentes. Si va a ser de ecualización [6] externa o interna, las primeras se utilizan para evaporadores con pérdidas de carga importantes. El tipo de carga del bulbo termostático. Normalmente las válvulas de expansión termostáticas que se utilizan en instalaciones con temperaturas de evaporación media – alta llevan, en su elemento termostático, el mismo fluido de la instalación donde van colocadas. Sin embargo, a bajas temperaturas el elemento termostático lleva un fluido diferente, que permita evitar errores en el funcionamiento de la válvula. También existen válvulas con límite de presión máxima de operación, que permiten limitar la presión de baja hasta un máximo para evitar sobrecargas del compresor. El modelo según la potencia frigorífica demandada por el sistema. El fabricante facilitará el valor de la potencia que proporciona la válvula con el orifico elegido. La potencia que éste entrega suele ser en unas condiciones de funcionamiento que no coinciden con las de la instalación, por eso es necesario corregirla utilizando los coeficientes que suelen acompañar a las tablas de selección. Quedando la potencia nominal de la válvula de expansión para selección de la siguiente forma: PV Qevap F3 (EC. N°38) Dónde: PV Potencia nominal de la válvula de expansión en [ kW]. Qevap Potencia de evaporación en [ kW]. ( Qevap QT ) F3 Factor de corrección entregado por el fabricante. En los siguientes link se muestran catálogos para la selección de las válvulas de expansión con sus respectivos factores de corrección. - http://campusvirtual.edu.uy/archivos/mecanicageneral/Manuales/TABLAS%20RAPIDAS%20DANFOSS.pdf http://sporlanonline.com/literature/international/s1/201_S1.pdf. Nota: cabe destacar que muchos fabricantes ofrecen más de un factor de corrección, por lo que la selección se debe realizar como lo estipula este en el catálogo de selección. [6] Dispositivo que modifica el volumen de fluido. Área mecánica – Termodinámica II 28
