Introduccion: Mediante el presente trabajo práctico se procederá al diseño y cálculo de una cámara frigorífica para el almacenamiento de medias reses vacunas, con las condiciones que esta necesita para la correcta conservación teniendo en cuenta las condiciones climáticas del Nordeste Argentino. Para ello, determinaremos las dimensiones interiores de la cámara teniendo como dato la demanda de medias reses a almacenar, para luego realizar el cálculo de las cargas térmicas presentes, el tipo de refrigerante más conveniente y otros factores que influyen en la condición de refrigeración dentro de la cámara para una correcta conservación.
DATOS PARA EL DISEÑO: La demanda de carne vacuna a almacenar será de 80 animales, lo que corresponde a 160 medias reses. Se considerará como temperatura del producto unos 30 °C. La temperatura de conservación deberá ser de 0 °C. 2
El peso de cada media res se considera de unos 150 kg máximos. De acuerdo con las condiciones climáticas de la región se tomara como temperatura exterior promedio unos 35 °C.
DIMENSIONES INTERNAS DE LA CÁMARA: Para el cálculo de las dimensiones internas de la cámara tomamos en cuenta las disposiciones del SENASA para almacenamiento de medias reses, que cita: “La distancia no será menor de 80 cm y se hallarán a no menos de 60 cm de las paredes, equipo de enfriamiento o cualquier otro elemento contractivo o funcional que haya dentro de la cámara, los rieles se colocarán a no menos de 30 cm del techo y las reses suspendidas deberán hallarse a no menos de 30 cm del suelo.” “Entre rieles debe existir un pasillo que tenga un ancho de 1 m como mínimo, y para media reses de hasta un máximo de 400 kg se pueden almacenar hasta dos medias reses por metro de riel. Se considera un largo promedio de la media res de 2,5 m.”
a) Cantidad y longitud de riel: La longitud de riel requerido para el total será de: 160 medias reses =80 [ m ] 2 res /m Considerando 10 rieles: 80 m Longitud de cada riel= =8 [ m ] 10
b) Largo de cámara: Tomando como dato la disposición del SENASA consideramos 0,6 m de la rielera a la pared: Largo de c á mara=8 [ m ] +1,2 [ m ] =9,2 [ m ]
c) Ancho de cámara: Para el ancho se toman las mismas consideraciones, 0,8 m entre rieles y 0,6 m desde la pared al riel con 5 pasillos: Anc h o de c á mara=0,6 [ m ] x 2+1 [ m ] x 5+0,8 [ m ] x 4=9,4 [ m ]
d) Altura de cámara: Para el cálculo de la altura de la cámara debemos tener en cuenta varios factores: Largo de media res = 2,5
[m] .
Separación del piso = 0,6
[m] .
Equipo evaporador = 1,2
[m] . 3
Separación del techo = 0,3
[m]
Ancho del riel y el largo del gancho = 0,5
[m] .
Altura de c á mara=( 2,5+0,6+ 1,2+ 0,5+0,3 ) [ m ]=5,1 [ m ]
e) Volumen de cámara: V =5,1 [ m ]∗9,4 [ m ]∗9,2 [ m ] =441,05 [ m3 ]
AISLAMIENTO Para el cálculo de aislamiento necesitamos saber primero que flujo de calor debemos aislar. Para ello nos ayudamos de la fórmula para el cálculo del flujo de calor que atraviesa una superficie: q=K ( T e−T i ) De donde: q : Flujo de calor por trasmisión [W/m2]. K: Coeficiente global de trasmisión de calor [W/m2 ºC]. Te: temperatura exterior [ºC]. Ti: temperatura Interior [ºC]. coeficiente global de calor: 1 1 e 1 = + + K hi λ h e Donde: λ=¿ Conductividad térmica del aislante [W/m2 ºC].
e = Espesor del aislante [m]. hi , he =¿
Coeficientes superficiales de convección interior y
Por cuestiones prácticas suprimiremos el uso de los coeficientes superficiales por convección. Reemplazando la expresión del coeficiente 4
global de calor en la de flujo de calor y siendo q = 8 [W/m 2] el valor máximo utilizado para cámaras de conservación, podemos obtener el espesor del aislante: λ q= ( T e −T i ) e
λ e= ( T e −T i ) q Las paredes de la cámara serán de paneles de acero con un aislante de poliuretano de 30 [kg/m3] de densidad y una conductividad térmica de λ = 0,023 [W/m ºC] Por lo tanto, el espesor necesario para mantener el flujo de calor por debajo de la máxima será: λ e= ( T e −T i )= q
0.023
[ ]( W mº C
[ ]
W 8 2 m
35−0 ) [ º C ] =0.1006 [ m ] =10.06 [ cm ]
Por lo tanto, se adoptara un espesor de aislante de 11 [cm]. Nota: propiedades del poliuretano de tabla de la pag. 99 de Refrigeración de Miralles
CARGAS TÉRMICAS DE LA CÁMARA DE FRÍO a) Transmisión de calor por paredes y cerramientos: La tasa de calor que entra a la cámara por transmisión a través de las paredes y techo es: Q´ t =K A ΔT Qt
: Tasa de Calor.
K: Coeficiente global del transmisión del calor. A: Superficie del Cerramiento. Δ T : Salto térmico de la cámara en ºC. Para determinar el coeficiente global de trasmisión del calor se emplea:
K
1 1 1 1 1 1 1 e1 e2 1 ... ... hi he 1 2 hi he K1 K 2
he y hi: coef. de convección exterior e interior. 5
e1, e2, …: espesores de los elementos que constituyen la pared o el techo. λ1, λ2,…: conductividades térmicas de estos elementos. K1,K2,…: coef. de transmisión calorífica de los distintos materiales. El cociente 1/h denominado “resistencia superficial” presenta un valor variable en función del sentido del flujo, pero puede utilizarse un valor aproximado de 0,11 [m2 ºC/W] En cada cerramiento se calcula la carga de calor entrante. Sumando las cargas de cada cerramiento se obtienen la carga total de calor por transmisión de la cámara. K=
1 = 2 1 e 1 m ºC + + 0.11 + hi λ he W
[
]
[ ]
1 W =0.2 2 2 m ºC 0.11 [ m ] m ºC + 0.11 W W 0.023 mº C
[ ]
[ ]
A= A tech o y piso + A Laterales + A frente y fondo A=2∗9,2 [ m ]∗9,4 [ m ] + 2∗9,2 [ m ]∗5 ,1 [ m ] +2∗5 , 1 [ m ]∗9,4 [ m ] =362,68 [ m2 ] Δ T =( 35−0 ) [ º C ] =35 [ º C ] Por lo tanto, la tasa de calor será: Q´ t =0.2∗362,68∗35=2538,76 [ W ]
b) Aire exterior entrante a la cámara: Es importante realizar una aireación o renovación del aire de la cámara. Para una renovación diaria de acuerdo con la siguiente expresión: V Δh ρ n Q´ a= 86.4 V: Vol. De la cámara [m3]. n: número de renovaciones de aire por día ∆ h=h 1−h 2 : Calor del aire (de psicrométrico) [kJ/m3]. ρ : 1.28 [kg/m3].
Adoptamos un valor de n = 4,1 para volumen de 400 - 500 [m 3] (tabla de la pag.69 de Refrigeración de Miralles). Para 35 [ºC] y 60% Hr h1 = 92 [kJ/Kg de aire seco]. 6
Para 0 [ºC] y 90% Hr (para carne vacuna tabla de pag.73 de Refrigeración de Miralles). h2 = 6.20 [kJ/ kg ∆ h=h 1−h 2=( 92−6.20 )
[
de aire seco
kJ kg aireseco
].
] [ =85.5
kJ kgaire seco
]
Entonces: V Δh ρ n Q´ a= = 86.4
441,05 [ m3 ] 85.5
[
kJ kg aire seco
] [ ] 1.28
86.4
kg 4,1 m3
=2290,52 [ W ]
c) Calor liberado por la iluminación interior: Las lámparas existentes en el interior de la cámara liberan un calor equivalente a: Pt Q´ i= 24 P: Potencia de todas las lámparas [W] t: tiempo de duración o funcionamiento [hs/día] Adoptamos un nivel de iluminación de 50 lux dentro de la cámara, de acuerdo con SENASA. El área de la cámara a iluminar será de
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A=9,2∗9,4=86,48 [m ] .
Por lo tanto los lúmenes necesarios serán de: Lú menes n ecesarios=50 [ lux ]∗86,48 [ m2 ] =4324 [ lumen ] De acuerdo a la siguiente tabla adoptamos 4 tubos fluorescentes de 18 W sumando un total de 4800 lúmenes: Tubos Fluorescentes (Lámparas de descarga de vapor de mercurio a baja presión) Cantidad de luz Longitud (cm) Potencia (W) (Lúmenes) 7
11,91 15,11 21,99 22,66 32,16 41,66 54,16 54,16 57,16
7 9 11 18 24 36 40 55 80
400 600 900 1200 1800 2900 3500 4800 6000
El tiempo adoptado de funcionamiento de las luces será de t = 4 hs diarias. Por lo tanto el calor aportado por las lámparas será: Pt 4∗18∗4 Q´ i= 1.25= ∗1.25=15 [ W ] 24 24 Nota: el factor 1,25 multiplicado se debe a la consideración de consumo complementario de lámparas fluorescentes. d) Calor liberado por las personas qnt Q´ p= 24 t: Tiempo de permanencia en [ hs /día ] . n: Numero de personas en la cámara. q: Calor por persona [ W ]
Para un numero de 4 personas, durante 4 hs dentro de la cámara y con q = 270 W (para 0 ºC de tabla de pag.71 de Refrigeración de Miralles): 270 [ W ]∗4∗4 Q´ p=
24
[ ] h dia
=180 [ W ]
e) Carga total de otras fuentes: ´ F =Q ´ t+Q ´ a +Q ´ i +Q ´ p=( 2538,76+2290,52+15+180 ) [ W ] =5024,28 [ W ] Q
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f) Refrigeración de los productos Cuando las condiciones de conservación de los productos precisen temperaturas superiores a la de congelación, la carga calorífica de refrigeración, en Watt, se obtendrá por: ´ r= Q cp
c p m ( T e −T f ) 86.4 : calor específico de los productos en el pto. de congelación [kJ/kg
ºC]. m : masa del producto [kg]. Te : temperatura del producto a lares entrada [ºC]. a la cámara es de 30 ºC, teniendo La temperatura con que la ingresa T e objetivo una temperatura final dentro de la cámara de 0 ºC. como : temperatura al final del enfriamiento [ºC]. Cada media res pesa 150 kg, por lo que la masa total a refrigerar y el salto de temperatura serán: m=160∗150 [ kg ] =24000 [ kg ] ∆ T =T e −T f =( 30−0 ) [ º C ] =30 [ º C ] Consultando la tabla de pag.73 de refrigeración de Miralles se obtiene para carne vacuna que el punto de congelación es de -2 [ºC], y el calor másico antes de la solidificación es de cp = 3,08 [kJ/kg ºC]. La carga térmica por refrigeración vendrá dada por: 3, 08 ´ r= Q
[
]
kJ ∗24000 [ kg ]∗30 [ º C ] kg º C =25666,67 [ W ] 86.4
g) Calor liberado por los motores Es necesario considerar los aportes caloríficos debidos al funcionamiento de los motores de los ventiladores del evaporador, que se puede calcular siguiendo la siguiente formula: ´ m= ∑ p t Q 24 p: potencia de cada motor [W]. t: tiempo de funcionamiento [hs/día] El tiempo de funcionamiento viene dado por el funcionamiento de la maquina frigorífica. Pero la potencia del motor del evaporador viene dado por el tipo de este y sus dimensiones, lo cual todavía no podemos conocer antes de determinar la carga frigorífica total para elegirlos. Para esto, nos 9
valemos de la presunción practica de que el valor de la potencia del motor del evaporador corresponde a un 10 – 15% de la suma del calor liberado por persona, el calor liberado por iluminación y el calor por renovación. ´ m=0,15∗( Q ´ p +Q ´ i +Q ´ r ) =0, 15∗ (180+ 15+ 25666,67 ) [ W ] =3879,25 [ W ] Q
h) Calor total de refrigeración- potencia frigorífica Con todos estos valores se calcula el calor total de refrigeración necesario: ´ T =Q ´ F+ Q ´ r +Q ´ m= (5024,28+ 25666,67+3879,25 ) [ W ] =34570,2 [ W ] Q Es conveniente incrementar la cantidad en un 10% como margen de seguridad: ´ T =1.1∗34570,2 [ W ] =38027,22 [ W ] ≈ 38 [ kW ] Q
Para un funcionamiento diario de 18 horas, la potencia frigorífica nominal necesaria sería de: ´ T 24 =38 [ kW ] 24 =50,66 [ kW ] N R =Q t 18
ELECCIÓN DE REFRIGERANTE Entre los refrigerantes disponibles se tienen el R22, R404a y R134a, teniendo el R22 y el R404a mejor rendimiento y el R404a y R134a propiedades ecológicas, por lo que se adoptara el refrigerante R404a por poseer ambas y además cumplir con el protocolo de Montreal. Para asegurar una condensación debemos tener una temperatura de condensación mayor a la del medio y esta diferencia puede variar entre 8 y 20 °C ya que la temperatura de diseño maxima es de 35 °C, la temperatura de condensación debería estar entre los 43 y 55 °C, por lo que se adoptara una Tcond = 45 °C.
SELECCIÓN DEL EVAPORADOR El salto térmico y la temperatura de evaporación del refrigerante estará en función de la humedad necesaria en la cámara frigorífica, que en el caso de reses vacunas es del 90%. Debido a esto obtenemos un ∆T = 5 [ºC] Por lo que la temperatura del evaporador será: ∆ T =T recinto−T evap. T evap . =T recinto−∆ T =0−5=−5 [ º C ] 10
T evap . =−5 [ º C ]
Para la elección del evaporador utilizaremos un catalogo “Kobol”. Debido a la gran potencia requerida se opta por dividir la misma en dos evaporadores: Potencia frigorífica:
N R =25,33 [ kW ]
Se opta por dos evaporadores Kobol, modelo ECR 468, cada uno con una potencia de N R =29.275 [ kW ] . 11
Cada evaporador cuenta con 3 evaporadores de 2160 W, por lo que en total se tendrán 6 ventiladores con una potencia total de: ´ m=6 p t =6 2160 [ W ] 18 =9720 [ W ] Q 24 24
Re cálculo el calor total de refrigeración- potencia frigorífica ´ T =Q ´ F+ Q ´ r +Q ´ m= (5024,28+ 25666,67+9720 ) [ W ] =40410,95 [ W ] Q Es conveniente incrementar la cantidad en un 10% como margen de seguridad: ´ T =1.1∗40410,95 [ W ]=44452,04 [ W ] ≈ 44,45 [ kW ] Q
Suponiendo un funcionamiento diario de 18 horas, la potencia frigorífica nominal necesaria sería de: ´ T 24 =44,45 [ kW ] 24 =59,26 [ kW ] N R =Q t 18
SELECCIÓN DEL COMPRESOR Para su selección recurrimos a un catálogo de la marca Frascold: 1- Para un Δt de condensación de 10 [ºC] resulta una temperatura de condensación de 45 ºC para la selección. 2- La temperatura de evaporación estipulamos en -5 [ºC]. 3- La capacidad frigorífica necesaria es de 58550 [W]. 4- Refrigerantes ecológicos el R-404a.
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Debido al recurrente problema de la no obtención de un equipo que satisfaga la gran demanda de potencia nos vemos obligados una vez mas a optar por dividir la potencia en dos compresores: Marca: Frascold. Modelo: S – 15 – 51 Y. Capacidad en régimen de cada compresor: 30920 [W] Capacidad en régimen total: 61840 [W]. Potencia absorbida por cada compresor: Nc = 11000 [W]. Potencia absorbida total: 22000 [W].
SELECCIÓN DEL CONDENSADOR Para esta selección recurrimos a un catálogo de la firma MosKar. La capacidad total de disipación será la capacidad de refrigeración mas la potencia del compresor que se adiciona en forma de trabajo de compresión o de calor y se debe disipar en el condensador. ´ Cond=N R + N C =61840 [ W ] +22 000 [ W ] =83840 [ W ] Q
Por ser compresor semi-hermético se debe multiplicar por el coeficiente 1,175. Resultando una capacidad total de 98512 [W] o 84720 [kcal/h].
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El modelo de condensador adecuado será: Marca: Moskar. Modelo: MCRH 250 de flujo horizontal con una capacidad a régimen de 84900 Kcal/h con 3 ventiladores.
SELECCIÓN DE LA VÁLVULA DE EXPANSIÓN Para la selección nos basamos en las válvulas de expansión Sportland. Los datos son: Gas Refrigerante R404a, utilizo diagrama de Mollier con su respectiva tabla 1 Capacidad frigorífica 59,26 [kW]. Los extremos roscados para facilitar el mantenimiento Temperatura y presión de evaporación (Diagrama de Mollier): -5 [ºC] y 5 [bar] Temperatura y presión de condensación (Diagrama de Mollier): 45 [ºC] y 22 [bar] Factor de presión para Dp = 17 [bar] f.c.p. =1,495 Factor de líquido para 45 [ºC] = 0,9 La capacidad requerida será 59260 =44043,11W =44,043 kW 1,495∗0,9
Factor de Presión
Factor de Líquido
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La válvula seleccionada será: Marca: Sportland. Modelo: Tipo M para 52,8 kW de 15 Ton. El equipo se colocara en la parte superior de la cámara con su debido conducto de aspiración e impulsión. Su ubicación será a lo largo de la cámara para que la distribución de flujo sea lo más parejo posible.
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