Universidad de Talca Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica
Diseño Térmico (Cámara frigorífica para la conservación de carnes de cerdo y pollo)
Alumnos:
Sergio Rivera Luis Fernandoy Hugo Miño Docente: Dr. Ing. Gonzalo Salinas S. Modulo: Diseño Térmico. Fecha: 11 de Diciembre de 2013.
Índice Capítulo 1 Aspectos Generales........................................................................................................... 1 1.1.
Introducción ............................................................................................................................. 2
1.2.
Requerimientos. ...................................................................................................................... 3
1.3.
Objetivo General...................................................................................................................... 3
1.4.
Objetivos específicos. ............................................................................................................. 3
Capítulo 2 Marco teórico ..................................................................................................................... 4 2.1.
Conservación y refrigeración de alimentos. ...................... ............................... ................... ................... .................. .................. ................. ........ 5
2.2.
Sistema de refrigeración ......................................................................................................... 5
2.3.
Cambios durante el proceso. .................................................................................................. 6
2.3.1.
Antes de la congelación. .................. ........................... .................. .................. .................. .................. .................. .................. .................. ................ ....... 6
2.3.2.
Durante la congelación. ................................................................................................... 6
2.3.3.
Cambios durante la descongelación .................. ........................... .................. .................. .................. .................. ................... ................ ...... 7
2.4.
Aspectos para diseño Cámara de conservación.................. ........................... ................... .................. .................. .................. .............. ..... 7
2.5.
Tiempo de enfriado de las carnes. .......................................................................................... 8
2.6.
Aspectos Térmicos. .................. ........................... ................... ................... .................. .................. .................. .................. .................. ................... ................... ............ ... 9
2.6.1.
Conducción. ..................................................................................................................... 9
2.6.2.
Radiación. ........................................................................................................................ 9
2.6.3.
Convección. ................................................................................................................... 10
Capítulo 3 Dimensionamiento de la cámara. ....................... ................................ ................... ................... .................. .................. .................. ............... ...... 11 3.1.
Almacenamiento de la carne. ................... ............................ .................. .................. .................. .................. .................. .................. .................. .............. ..... 12
3.2.
Restricciones sanitarias. ....................................................................................................... 12
3.3.
Dimensionamiento cámara. ................................................................................................... 14 3.3.1.
Cálculo dimensión cerdos. ........................................................................................ 14
3.3.2.
Cálculo dimensión pollos........................... ................................... ................... ................... .................. .................. .................. .................. ......... 15
3.3.3.
Calculo sistema de rieles para el transporte de las canales de cerdo. .................. ..................... ... 16
Capítulo 4 Teoría de Cálculo............................................................................................................. 20 4.1.
Cálculo de Cargas Térmicas en Instalaciones Frigoríficas. Fri goríficas. .................. ........................... ................... ................... ............. .... 21
4.1.1.
Carga por transmisión a través de d e las paredes .................. ........................... .................. .................. .................. ............... ...... 21
4.1.1.1.
Pérdida de calor admisible por las paredes .................. ........................... .................. .................. .................. ................. ........ 22
4.1.1.2.
Diferencia de Temperatura entre el espacio exterior y el espacio refrigerado ......... ......... 22
4.1.1.3.
Cálculo del espesor de aislamiento .......... ................... .................. .................. .................. .................. ................... ................... ........... 22
4.1.2.
Cálculo de carga térmica del producto. ........... .................... .................. .................. .................. .................. ................... ................. ....... 23
4.1.3.
Cálculo por respiración del producto. ............ ..................... .................. ................... ................... .................. .................. .................. ......... 24
4.1.4.
Cálculo de carga térmica por infiltración o renovación de aire. ................... ............................ ................. ........ 24 II
4.1.5.
Cálculo de carga térmica por fuentes internas. ................... ............................ .................. .................. .................. ............... ...... 25
4.1.5.1.
Cálculo de la carga por personas .............................................................................. 25
4.1.5.2.
Cálculo del calor generado por el alumbrado. .......................... ................................... .................. .................. .............. ..... 26
4.1.5.3.
Cálculo de calor generado por los ventiladores de los evaporadores. .................... ...................... 26
4.1.6.
Obtención de la carga térmica total ............................................................................... 27
Capítulo 5 Selección de Componentes ............................................................................................. 28 5.1.
Ciclo de refrigeración de la refrigeración................. refrigeración.......................... .................. .................. .................. .................. ................... ................. ....... 29
5.1.1.
Análisis termodinámico del ciclo Planck................. .......................... ................... ................... .................. .................. .................. ......... 29
5.1.1.1.
Compresión isotrópica: .............................................................................................. 29
5.1.1.2.
Rechazo de calor: ...................................................................................................... 29
5.1.1.3.
Expansión isoentálpica: ............................................................................................. 29
5.1.1.4. Admisión de calor: ................. ........................... ................... .................. .................. .................. .................. .................. .................. ................... ............ 29 5.2.
Equipos. ................................................................................................................................. 30
5.2.1.
Compresor ..................................................................................................................... 30
5.2.2.
Evaporador .................................................................................................................... 30
5.2.3.
Condensador ................................................................................................................. 31
5.2.4.
Válvulas de expansión................................................................................................... 31
5.3.
Refrigerante. .......................................................................................................................... 32
5.3.1.
Definición de Refrigerante. ............................................................................................ 32
5.3.2.
Identificación de Refrigerantes ...................................................................................... 32
5.3.3.
Requerimientos de los Refrigerantes ..................... .............................. ................... ................... .................. .................. .................. ......... 32
5.3.4.
Propiedades Termodinámicas. ...................................................................................... 33
5.3.5.
Propiedades Físicas y Químicas. .................................................................................. 34
5.4.
Selección Del Refrigerante .................................................................................................... 34
5.4.1.
Refrigerante R-134a. ..................................................................................................... 34
5.4.2.
Comparación con otro refrigerante utilizado. ................... ............................ .................. .................. .................. .................. ......... 34
5.5.
Humidificación ....................................................................................................................... 35
5.6.
Poliuretano. ........................................................................................................................... 35
5.6.1. 5.7.
Características del poliuretano. ..................................................................................... 36
Cable Calefactor AKO-5231. ................................................................................................. 36
5.7.1.
Características. .............................................................................................................. 36
Capítulo 6 Costos .............................................................................................................................. 37 6.1.
Matriz de costos. ................................................................................................................... 38
Capítulo 7 Referencias ...................................................................................................................... 39 7.1.
Referencias Bibliográficas. .................................................................................................... 40
7.2.
Páginas web. ......................................................................................................................... 40 III
Anexos............................................................................................................................................... 41 Memoria de cálculo. .......................................................................................................................... 42 Apéndice A: Cálculo sistema rieles para cerdo. ............................................................................ 42 Apéndice B: Cálculo de Cargas Térmicas ..................................................................................... 42 Cálculo del espesor del aislante ................................................................................................ 42 Cálculo Calor Que Atraviesa la Pared ....................................................................................... 44 Cálculo de carga térmica del producto ...................................................................................... 45 Cálculo de carga térmica por infiltración o renovación de aire .................................................. 46 Cálculo de carga térmica por fuentes internas .......................................................................... 47 Cálculo de calor generado por los ventiladores de los evaporadores ....................................... 48 Obtención de la carga térmica total ........................................................................................... 49 Anexo C: Ciclo de Refrigeración en la Cámara ............................................................................. 49 Cálculo Flujo Másico del refrigerante ......................................................................................... 50 Cálculo de la potencia del compresor ........................................................................................ 50 Cálculo calor rechazado al medio .............................................................................................. 50 Apéndice D: Tablas. ...................................................................................................................... 51 Apéndice E: Catálogos. ................................................................................................................. 55 Poliuretano. ................................................................................................................................ 55 Compresor.................................................................................................................................. 56 Evaporador. ................................................................................................................................ 57 Condensador .............................................................................................................................. 59 Válvula de expansión. ................................................................................................................ 60 Presostato .................................................................................................................................. 61 Válvula Selenoide. ..................................................................................................................... 62 Válvula retención. ....................................................................................................................... 63
Índice de figuras. Figura 1. Formación de cristales de hielo. .......................................................................................... 6 Figura 2. Cajones de pollos. .............................................................................................................. 16 Figura 3. Diagrama de carga de vigas. ............................................................................................. 18 Figura 4. Dimensiones cámara frigorífica. ........................................................................................ 19 Figura 5. Dimensiones transpaleta. .................................................................................................. 20 Figura 6. Componentes Ciclo refrigeración. ...................................................................................... 29
IV
Índice de tablas. Tabla 1. Extracto temperatura de conservación de cerdo. ............................................................... 12 Tabla 2. Extracto temperatura de conservación de aves. ................................................................. 12 Tabla 3. Porcentaje de agua admisible en bandejas. ....................................................................... 13 Tabla 4. Características carnes a conservar..................................................................................... 14 Tabla 5. Dimensiones bandeja de pollo. ........................................................................................... 15 Tabla 6. Esfuerzos de fluencia Fy y Fu. ............................................................................................ 17 Tabla 7. Selección de vigas. ............................................................................................................. 18 Tabla 8. Especificaciones técnicas Ako-5231. .................................................................................. 36 Tabla 9. Costos. ................................................................................................................................ 38 Tabla 10. Características materiales pared. ..................................................................................... 43 Tabla 11.Calor de aire. ...................................................................................................................... 46 Tabla 12.Renovaciones de aire para cámaras de conservación y congelación ............................... 46 Tabla 13.Potencia Liberada en W por las personas según las temperaturas de la cám ara en °C .. 47 Tabla 14.Lámparas LEDs Con sus respectivas potencias y eficacias.............................................. 48 Tabla 15. Propiedades del R-134a Saturado, Tabla de presión. ...................................................... 51 Tabla 16.Propiedades del R-134a saturado, Tabla de temperatura................................................. 52 Tabla 17.Propiedades de aire seco a presión atmosférica. .............................................................. 53 Tabla 18. Entalpía del aire a baja presión......................................................................................... 54
Índice de gráficos Grafico 1.Crecimiento bacteriológico en carne almacenada a diversas temperaturas....................... 5 Grafico 2. Curvas de tiempos de refrigeración.................................................................................... 8 Grafico 3.Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor ....................................................... 49
Índice de Ecuaciones. Ecuación 1.Ley de Fourier .................................................................................................................. 9 Ecuación 2. Ley de Stefan-Boltzmann. ............................................................................................... 9 Ecuación 3. Ley de Newton. .............................................................................................................. 10 Ecuación 4. Cantidad de medias canales. ........................................................................................ 14 Ecuación 5. Cálculo carga máxima. .................................................................................................. 14 Ecuación 6. Cálculo Longitud Riel. ................................................................................................... 15 Ecuación 7. Cantidad de Pollos ........................................................................................................ 15 Ecuación 8.Número de Cajas. ........................................................................................................... 15 Ecuación 9. Esfuerzo de Fluencia. .................................................................................................... 16 Ecuación 10.Modulo Resistente. ....................................................................................................... 16 Ecuación 11. Momento. ..................................................................................................................... 16 Ecuación 12. Temperatura exterior. .................................................................................................. 22 Ecuación 13. Filtraciones de Calor. .................................................................................................. 22 Ecuación 14.Coeficiente Global de Transferencia de Calor. ............................................................ 23 Ecuación 15. Espesor de aislamiento. .............................................................................................. 23 Ecuación 16. Carga térmica del producto. ........................................................................................ 23 Ecuación 17. Estimación Calores específicos. ................................................................................. 24 V
Ecuación 18.Calor por Respiración del producto. ............................................................................. 24 Ecuación 19. Calor Renovaciones de aire. ....................................................................................... 25 Ecuación 20. Carga por personas. .................................................................................................... 25 Ecuación 21. Carga alumbrado. ........................................................................................................ 26 Ecuación 22. Carga ventiladores. ..................................................................................................... 26 Ecuación 23.Carga térmica total. ...................................................................................................... 27
VI
Capítulo 1 Aspectos Generales
1
1.1. Introducción Desde tiempos inmemoriales que el hombre ha buscado conservar sus alimentos después de la recolección o incluso la casa, con el fin de no perder lo que le sobraba de cada faena, es así que empiezan a inventarse métodos para su conservación. Centrándonos en la carne como tal, es aquí en donde el hombre de antaño invento la refrigeración, conservando su presa mediante el uso de hielo en sus cuevas para así con el paso del tiempo llegar a las llamadas cámara de frio o frigoríficas. La refrigeración de carne en la actualidad es un proceso muy importante dentro de la alimentación, permitiendo el almacenamiento y su posterior venta en condiciones óptimas para su consumo, ya que este método a diferencia de los métodos de salado de carne o ahumado, no daña las propiedades elementales del producto, si se efectúa de buena manera y siguiendo las normas establecidas. Es así como se llega a las cámaras de refrigeración para carne, en las cuales hay que tener en cuenta una serie de parámetros para su diseño y un manejo de las normas que permitan un buen desarrollo al producto que se quiere entregar. Lo que se verá plasmado en la realización de este informe.
2
1.2. Requerimientos. El cliente solicita el diseño de una cámara para conservación de carnes de cerdo y pollo, la cual debe cumplir con las siguientes características:
Capacidad de 1 ton de carne de cerdo, además de 0.5 ton de carne de pollo
Cumplir las normas según la SEREMI DE SALUD.
La carne debe ser capaz de permanecer una semana dentro de la cámara, para luego estar en condiciones de ser consumida.
1.3. Objetivo General. Diseño de una cámara para conservación de carne de cerdo y pollo
1.4. Objetivos específicos.
Cumplir con las fechas estipuladas. Cumplir con las condiciones que estableció el cliente. Estudiar las alternativas de solución posibles al problema. Seleccionar una alternativa solución. Cálculo de partes y equipos necesarios. Selección de equipos. Realizar un costeo de todos los elementos y equipos. Realizar croquis del sistema final.
3
Capítulo 2 Marco teórico
4
2.1. Conservación y refrigeración de alimentos. Para el estudio del diseño de una cámara de conservación de alimentos es necesario conocer el comportamiento de los alimentos a refrigerar en función de l a temperatura y la humedad. Para esto es necesario tener un control de la temperatura y la humedad. El manejo de la temperatura está directamente asociado a la descomposición de la materia (carne de animal en este caso). En la cual el frio no destruye los microorganismos presentes, sino que demora y la reproducción de estos agentes. Donde en el siguiente grafico se puede observar una relación entre los logaritmos de UFC “ Unidades Formadoras de Colonias” (representa un número de bacterias por unidad de área) v/s los días. En la cual se establecen temperaturas de trabajo y rango en que hay modificaciones importantes en la carne como el olor o la viscosidad.
Grafico 1.Crecimiento bacteriológico en carne almacenada a diversas temperaturas.
2.2. Sistema de refrigeración Para la refrigeración de la carne, generalmente se utilizar sistemas de enfriamiento de aire mediante sistemas mecánico. Donde la refrigeración consta de dos etapas relevantes: Disminución de la temperatura de la carne. Mantenimiento de la carne a baja temperatura.
Para lograr un correcto funcionamiento de la cámara considerando estas etapas, se deben manejar 3 parámetros: temperatura, humedad relativa y velocidad del aire. Otros métodos de enfriamiento son la utilización de líquidos refrigerantes. Entre los refrigerantes utilizados en la actualidad se encuentran:
R134 R404A R407 R22 R12 Freón R505
5
Para la refrigeración mediante técnicas frigoríficas existen 4 puntos importantes a m anejar:
Los productos a conservar deben encontrarse inicialmente sanos. Es necesario seleccionar un refrigerante adecuado Es importante mantener la “cadena de frio” durante el periodo de refrigeración Se deben cumplir las temperaturas y humedades relativas correspondientes a cada tipo de alimento que se refrigere.
2.3. Cambios durante el proceso. 2.3.1. Antes de la congelación.
Después del sacrificio del animal se inicia la transformación de glucógeno en ácido láctico de manera irreversible. Los pigmentos cambian de color por reacciones redox, las grasas se oxidan, las enzimas hidrolíticas degradan a los tejidos reblandeciéndolos.
2.3.2. Durante la congelación.
El volumen del alimento congelado aumenta y se forman cristales de hielo durante el enfriamiento. (Figura 1) En la congelación lenta los cristales son de mayor tamaño, acumulándose en las células, en cambio en la congelación rápida son de menor tamaño. Las células pierden agua por la formación de hielo con lo que aumenta la concentración de los solutos no congelados disminuyendo continuamente el punto de congelación hasta un equilibrio. Esto produce una aceleración de la precipitación y desnaturalización de las proteínas ocasionando cambios irreversibles en los sistemas coloidales. Las reacciones químicas y enzimáticas continúan muy lentamente. Las proteínas de las carnes (aves y pescados) sufren una deshidratación irreversible. Las grasas pueden oxidarse e hidrolizarse. Los alimentos pueden desecarse superficialmente, cuando se subliman los cristales de hielo distribuidos en su parte exterior; produciendo las llamadas quemaduras de hielo. (Frutos, hortalizas, aves y pescados).
Figura 1. Formación de cristales de hielo.
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2.3.3. Cambios durante la descongelación
Durante la descongelación se acelera la acción enzimática; y si esta es muy lenta, se puede producir desarrollo microbiano. Las carnes al descongelarse producen un exudado o sangría (pérdida de líquido).
2.4. Aspectos para diseño Cámara de conservación. Para el diseño de la cámara de conservación es importante considerar el lugar en donde se desea situar dicho equipo.
Cuando la cámara este situada al aire libre, esta debe de evitar la exposición directa al sol. Donde será necesario utilizar un doble techo o paredes con paso de aire intermedias a la cámara. En caso de la utilización de una cuartos ya construidos o elementos de ella (paredes pisos, etc.) será necesario el análisis de las pérdidas de calor y la humedad presentes en los elementos a aprovechar. Se deberá disponer un sistema de iluminación dentro de la cámara, que se maneje desde el exterior de esta. La disposición y utilización de barras, ganchos y cajas de almacenaje dependerá de la cantidad y del tipo de producto a almacenar.
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2.5. Tiempo de enfriado de las carnes.
Grafico 2. Curvas de tiempos de refrigeración.
Curva A: refrigeración ultrarrápida (tiempo de semi-enfriamiento 4 horas); existe riesgo de acortamiento por el frio Curva B: refrigeración rápida (tiempo de semi-enfriamiento 8 horas); no existe riesgo de acortamiento por frio ni de putrefacción Curva C: refrigeración lenta (tiempo de semi-enfriamiento 20 horas); existe riesgo de putrefacción.
Dados los tipos de enfriamiento posibles, se estima que el enfriamiento rápido es el más beneficioso. Debido a que en el enfriamiento lento se corre el riesgo de putrefacción. Y en el enfriamiento ultrarrápido se produce el acortamiento por frio (cambia el endurecimiento de la carne, en relación a la dureza con la cual entro al proceso de refrigeración) Refrigeración Rápida: es el proceso más adecuado para la conservación de alimentos, donde las canales son llevadas a dos condiciones 1.- en el primer tiempo: el aire se encuentra en un rango de -2 a 4°C, donde la circulación del aire es de 1,5 a 2 m/s con una HR (humedad relativa) del 90%. Esta fase se denomina semienfriamiento, cuyos tiempos son de 8 hrs para el vacuno y 4 hrs para el cerdo aproximadamente. 2.- en la segunda fase se reduce la velocidad del aire, y la temperatura es de 0°C.
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2.6. Aspectos Térmicos. Los fenómenos de transferencia de calor corresponde al traspaso de energía térmica, este fenómeno se representa a través de los camb ios de temperatura. Los mecanismos de transferencia de calor son:
2.6.1. Conducción. Es el mecanismo de traspaso de energía entre dos o más cuerpos sólidos. En flujo de calor va de mayor a menor temperatura. El modelo matemático de este fenómeno se representa por la Ley de Fourier Ley de Fourier:
Ecuación 1.Ley de Fourier
Donde: q= es el flujo de calor por conducción k= conductividad térmica del material A= área transversal al flujo de calor dT= variación de temperatura dx= variación de espesor del material
2.6.2. Radiación. Es el mecanismo de transferencia donde el traspaso de energía se realiza entre dos o más cuerpos con distinta cantidad de energía. Donde los cuerpos poseen una distancia entre sí. El modelo matemático para la radiación está dado por la Ley de Stefan-Boltzmann Ley de Stefan-Boltzmann
Ecuación 2. Ley de Stefan-Boltzmann.
Donde q= es el flujo de calor por radiación
= Constante de Stefan-Boltzmann 9
A= área de radiación
= factor de emisividad = factor de forma T1= temperatura superficial T2= temperatura del cuerpo receptor
2.6.3. Convección. Es una de las tres formas de transferencia de calor, donde el flujo se produce a través de un medio fluido, sea liquido o gas. El modelo asociado a la convección está dado por la Ley de enfriamiento de Newton:
| | Ecuación 3. Ley de Newton.
Donde: q = flujo de calor por convección
= coeficiente pelicular convectivo medio A= área de transferencia de calor
= temperatura del fluido = temperatura superficial del cuerpo
10
Capítulo 3 Dimensionamiento de la cámara.
11
3.1. Almacenamiento de la carne. La carne sin un sistema de refrigeración o carne fresca es muy propensa al ataque de bacterias del aire, la reproducción de estas aumenta a medida que aumenta la temperatura y la humedad, es por esto que cuando no se dispone de un sistema de refrigeración la carne debe ser vendida dentro de las primeras 12 hrs desde la muerte del animal. Como se menciona anteriormente los cambios físicos, químicos y microbiológicos en la carne fresca son estrictamente una función de la temperatura y la humedad. El control de la temperatura y la humedad constituye en la actualidad el método más importante de conservación de la carne para atenerse a las necesidades del mercado. La temperatura ideal de almacenamiento de la carne fresca oscila en torno al punto de congelación alrededor de -3°C para el cerdo y el pollo.
Tabla 1. Extracto temperatura de conservación de cerdo.
Tabla 2. Extracto temperatura de conservación de aves.
3.2. Restricciones sanitarias. En el diseño de la cámara de conservación de carne, el cliente solicito regirse por las normas establecidas por la SEREMI de Salud “ REGLAMENTO SANITARIO DE LOS ALIMENTOS DTO.
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N° 977/96 (D.OF. 13.05.97)”, donde tenemos los siguientes artículos que se aplicaran al diseño de dicha cámara. Según lo establecen los Artículos desde el 1 hasta el 4 se tiene que la producción, importación, elaboración, envase, almacenamiento, distribución y venta de los alimentos debe realizarse según las condiciones sanitarias del reglamento sanitario de alimentos. Ya estas normas se establecieron para proteger la salud y nutrición de la población suministrando productos sanos e inocuos. Desde los artículos 268-280 se establecen las normas correspondientes a los alimentos de carne de origen de diversos orígenes, donde el de origen porcino será el necesario estudiar para el diseño de la cámara de conservación.
El artículo 270 establece las condiciones a la cual debe estar la carne estableciendo la importancia de olor, color y tacto. El artículo 271 establece que la temperatura a la cual debe estar la carne para conservación, va desde un rango de temperaturas entre 0 a 7°C. Esto según mediciones correspondientes al decreto N°94 de los Ministerios de Agricultura y Salud.
Estos artículos serán los relevantes para la conservación de la carne de cerdo. Entre los artículos 281-290 se encuentran las consideraciones para la carne de ave, donde están:
El artículo 281 establece que se deben extraer: sangre, plumas, patas, cabeza, buche, tráquea, esófago, vísceras, pulmones y órganos genitales del animal. El artículo 286 menciona que la temperatura máxima a ser enfriada la carne de ave trozada es de 2°C El artículo 293 norma las cantidades de agua residual máximas admisibles que se pueden encontrar en las carcasas.
Para aves refrigeradas: Enfriamiento por Aire
3%
Enfriamiento Mixto (Agua y Aire)
6%
Enfriamiento por agua
8%
Tabla 3. Porcentaje de agua admisible en bandejas.
Además se toman las siguientes consideraciones para el dimensionamiento:
Piso del material impermeable, antideslizante y con pendiente hacia el punto de drenaje. Las paredes, techos y puertas deberán estar revestidos con un material impermeable de fácil lavado y desinfección, y las puertas deberán tener dispositivos que permitan su apertura desde el interior. Buena iluminación y una calidad tal que no altere el color natural de las canales y subproductos. Rieles para canales de ganado mayor que deberán estar a una distancia mínima entre sí de 80 cm. y a no menos de 60 cm. de paredes y pilares. Los rieles para canales de ganado menor, deberán estar a una distancia mínima entre sí de 50 cm.
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Altura de rieles desde el piso no menor de 3.30 m para medias reses vacunas o 2,50 m para cuartos vacunos. Los rieles deberán tener una altura tal que las canales de cualquier especie, al estar suspendidas, queden a una distancia mínima de 30 cm. del piso. Deberán mantenerse limpias y no deberán contener elementos ajenos a la actividad normal que en ella se desarrolle. Carga de riel 3 medias reses por metro. Los equipos de refrigeración deberán ser capaces de mantener las temperaturas internas de las carnes, exigidas en este proyecto.
3.3. Dimensionamiento cámara. Para el dimensionamiento de la cámara para conservación de carne de cerdo y pollo se toman consideraciones diferentes para cada tipo animal, ya que su conservación es diferente, ya que el cerdo se almacena en rieles que mantienen la canal completa o media canal, dependiendo de cómo se quiera conservar, a diferencia del pollo que se almacena en bandejas. Por estos motivos se tiene una consideración general y después se procede individualmente: Tipo de carne
Peso Promedio
Densidad carga
Cerdo
90 kg
135 kg mlineal
Pollo
2 kg Tabla 4. Características carnes a conservar.
3.3.1. Cálculo dimensión cerdos. El cerdo faenado se trabajó en canales, esto quiere decir que una canal es un cerdo entero sin vísceras y cabeza, por ende media canal es la mitad del cerdo faenado, se almacenan en rieles, que es un dispositivo que permite una mejor manipulación de la carne del cerdo.
Cantidad de medias canales.
Ecuación 4. Cantidad de medias canales.
Calculo carga máxima real riel.
Ecuación 5. Cálculo carga máxima.
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Calculo longitud riel.
Ecuación 6. Cálculo Longitud Riel.
3.3.2. Cálculo dimensión pollos. Como se mencionó anteriormente, la carne de pollo se conserva de diferente manera a la de cerdo, en este caso se conservan en cajas, las cuales deben almacenar de manera que formen columnas de no más de 5 de estas de altura, con una separación mínima de 5 cm entre columnas, cada columna ira asentada al piso en base de plástico de mínimo 5 cm de altura en relación al piso. Parámetro
Dimensión (mm)
Largo
595
Ancho
400
Alto
170
Tabla 5. Dimensiones bandeja de pollo.
Cantidad de pollos.
Ecuación 7. Cantidad de Pollos
Número de cajas.
Ecuación 8.Número de Cajas.
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Figura 2. Cajones de pollos.
3.3.3. Calculo sistema de rieles para el transporte de las canales de cerdo. Para determinar el tipo de viga que se ve a utilizar en el transporte de las canales de cerdo es necesario determinar el modulo resistente que se obtiene a partir de la ecuación del esfuerzo de fluencia que se denomina .
Ecuación 9. Esfuerzo de Fluencia.
Ecuación 10.Modulo Resistente.
Donde:
= Esfuerzo de Fluencia [kg/cm ] 2
M = Momento [kg/cm] S = Modulo Resistente [cm 4] En donde el momento M se calcula:
Ecuación 11. Momento.
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Donde: W = Carga máxima [kg/m] L = Longitud de la viga [m] Además se toma un factor de seguridad n = 0,6, para calcular el esfuerzo de fluencia:
Para la construcción de los rieles se seleccionó el acero de la norma ASTM (Sociedad Americana de Ensayos y Materiales) A 36, que presenta las siguientes caracterististicas tiene un esfuerzo de fluencia de 2 530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi) y un esfuerzo mínimo de ruptura en tensión de 4 080 kg/cm2 a 5 620 kg/cm2 (400 a 550 MPa, 58 a 80 ksi), y su soldabilidad es adecuada. Se desarrolló desde hace muchos años en Estados Unidos para la fabricación de estructuras remachadas, atornilladas y soldadas, soldadas empezaron a desplazar a las remachadas que pronto desaparecieron.
Tabla 6. Esfuerzos de fluencia Fy y Fu.
(1) Norma mexicana. (2) American Society for Testing and Materials. (3) Valor mínimo garantizado del esfuerzo correspondiente al límite inferior de fluencia del material. (4) Esfuerzo mínimo especificado de ruptura de tensión. Cuando se indican dos valores, el segundo es el máximo admisible. (5) ASTM especifica varios grados de acero A500, para tubos circulares y rectangulares. (6) Para perfiles estructurales; para palcas y barras, ASTM especifica varios valores que dependen del grueso del material. (7) Depende del grado, ASTM especifica grados 50, 60, 65 y 70.
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Teniendo clara la carga de los canales de cerdo 135 kg/m que es lo que deben soportar los rieles y suponiendo que la carga se distribuye uniformemente sobre la viga como indica la figura.
Figura 3. Diagrama de carga de vigas.
El largo en el cual se encuentran estas vigas en el mercado son 6 metros, por lo cual se trabaja con este largo. Una vez calculado el modulo resistente se busca en tabla el valor más cercano y se selecciona la viga que se utilizara.
Tabla 7. Selección de vigas.
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Figura 4. Dimensiones cámara frigorífica.
Mediante el procedimiento antes mencionado la cámara frigorífica alcanzo las siguientes dimensiones 5,04 m x 4,08 m x 2,7 m. Las dimensiones de la puerta serán de 1 m x 2 m, con el fin de minimizar las pérdidas por infiltraciones y poder operar sin ningún problema los productos mediante el uso de una transpaleta manual.
19
Figura 5. Dimensiones transpaleta.
Capítulo 4 Teoría de Cálculo.
20
4.1. Cálculo de Cargas Térmicas en Instalaciones Frigoríficas. Para seleccionar el equipo de refrigeración necesario, es preciso estimar o calcular la carga térmica del espacio a refrigerar, que llamaremos “Cámara”. Las ganancias de calor que forman
parte de la carga térmica total, proceden de cinco fuentes fundamentales: Carga por transmisión a través de las paredes: Cálculo de espesores de aislamiento y transferencia de calor a través de las paredes exteriores. Carga del producto: Calor contenido en el producto refrigerado y almacenado. Carga por respiración del producto. Para frutas y hortalizas. Carga por renovación del aire Calor asociado al aire que entra en el espacio refrigerado. Carga por fuentes internas Carga de calor correspondiente al calor desprendido p or las personas que trabajan en el interior de la cámara, por el alumbrado, motores eléctricos, etc.
Carga de las personas: Calor desprendido por las pe rsonas que trabajan en el interior de la cámara frigorífica.
Carga del alumbrado: Calor desprendido por las lámparas en el interior de la cámara.
Carga de los ventiladores: Calor asociado a los ventiladores de los evaporadores.
Otras cargas por servicio.
4.1.1. Carga por transmisión a través de las paredes Para la realización de éste cálculo se debe tener en cuenta los siguientes datos:
Tipo de aislamiento Coeficientes de conductividad térmica Temperatura exterior Temperatura interior Máxima pérdida admisible Coeficientes de convección
21
4.1.1.1.
Pérdida de calor admisible por las paredes
Es la cantidad de calor que puede permitir que se pierda en una pared por unidad de superficie (Q/A).
Muchos autores suelen fijar el valor de las pérdidas de calor en 10 W/ para temperaturas positivas y 8 W/ para temperaturas negativas; si bien el instituto del frío de Paris recomienda 8 W/ para el primer caso y 6 W/ para el segundo caso.
Por lo tanto se tomará valores de 8 W/ de congelación.
4.1.1.2.
para cámaras de conservación y 6 W/ para cámaras
Diferencia de Temperatura entre el espacio exterior y el espacio refrigerado
Las temperaturas exteriores consideradas para aquellos lugares de la cámara que estén directamente con el exterior serán las recomendadas por el ministerio correspondiente para cada zona geográfica. En caso de no conocer este valor se puede calcular mediante:
Ecuación 12. Temperatura exterior.
Dónde: T.máx: T° máxima de la zona en el tiempo de funcionamiento de la cámara. T.med: T° media de la zona en el tiempo de funcionamiento de la cámara.
4.1.1.3.
Cálculo del espesor de aislamiento
El cálculo del espesor de aislamiento se debe realizar para cada uno de las paredes que componen la cámara frigorífica, teniendo en cuenta las diferencias constructivas y de temperatura que hay en cada uno de ellos. Se tiene entonces la fórmula general de la ganancia o pérdida de calor:
Ecuación 13. Filtraciones de Calor.
Dónde: Q= Filtraciones de calor, en W U= Coeficiente global de transferencia de calor, en W/ °C A= Área o superficie de transferencia de calor, en = Diferencia de Temperaturas del exterior y del interior de la cámara, en °C
22
Y la fórmula del coeficiente global de transferencia de calor viene dado por:
Ecuación 14.Coeficiente Global de Transferencia de Calor.
Dónde:
= Espesor del material “i” que compone la pared, en = Conductivad térmica del material “i” que compone la pared, en W/ °C = Coeficiente pelicular convectivo interior, en W/ °C = Coeficiente pelicular convectivo exterior, en W/ °C Por lo tanto, el espesor de aislamiento para cada pared y/o techo queda dado por:
( )] [ Ecuación 15. Espesor de aislamiento.
4.1.2. Cálculo de carga térmica del producto. Se calculará el calor del producto para poder llevarlo a la temperatura del espacio refrigerado, que será el calor sensible a extraer, para enfriar el producto, desde su temperatura inicial hasta la de refrigeración y la cual viene dada por:
Ecuación 16. Carga térmica del producto.
Dónde:
= Calor sensible en W = Masa del producto en Kg/s = Calor específico del producto en J/Kg°C = Diferencia de temperaturas entre la temperatura inicial del producto y la temperatura de refrigeración del mismo.
Cabe destacar que no se calculará el calor latente del producto, ya que no hará presente la congelación del producto en sí. Los valores de los calores específicos de las carnes antes de la congelación a ingresar a la cámara están determinados por tabla, determinados por el ministerio correspondiente.
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Si no lo estuvieran, hay relaciones aproximadas para calcularlos, las cuales serían las siguientes:
) ( Ecuación 17. Estimación Calores específicos.
Siendo:
= Cantidad de agua en la carne en % = Cantidad de materia orgánica en la carne en %, donde se toma como calor especifico de la materia orgánica 0,4 Kcal/Kg °C = 1673,6 J/Kg °C. Si se desconoce el dato del contenido en agua ni el calor específico del producto se puede tomar como calor específico 0,85 Kcal/Kg °C = 3556,4 J/Kg °C.
4.1.3. Cálculo por respiración del producto. Aunque no se calculara ya que es para frutas y vegetales, es importante conocerlo. Las frutas y los vegetales continúan con vida después de su recolección y también 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 almacenadas 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 obtenido de las tablas. Se tiene:
Ecuación 18.Calor por Respiración del producto.
Para el producto almacenado se toma como calor de respiración de 0,4 Kcal/Kg °C = 1673,6 J/Kg °C.
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 °C = 9204,8 J/Kg °C.
4.1.4. Cálculo de carga térmica por infiltración o renovación de aire. Cada vez que la cámara se abre al aire exterior penetra en la zona de refrigeración. La temperatura y humedad relativa del aire exterior, que es aire cálido debe ser integrado en las condiciones interiores de la cámara, con lo que hay un incremento de la carga. El calor a extraer del aire exterior, para adaptarlo a las condiciones interiores de la cám ara, se obtienen del diagrama psicrométrico, teniendo en cuenta las condiciones de entrada del aire y del mismo dentro de la cámara. 24
La tabla de renovaciones no debe usarse cuando se prevea una ventilación con aire exterior. La carga de ventilación, en estas condiciones, reemplazará la relativa a la apertura de las puertas. Para reducir las infiltraciones a través de las puertas, pueden utilizarse varios sistemas, entre los que se encuentran, las cortinas de aire o bandas elásticas, las antecámaras y las puertas automáticas. Las tablas de renovaciones, indican que numero de cambios de aire en 24 horas, para distintos volúmenes de cámaras obviamente son basados en experiencias prácticas. El calor por renovación del aire se calculará aplicando la fórmula:
Ecuación 19. Calor Renovaciones de aire.
Dónde:
= Calor por renovaciones de aire, en W = Volumen de la cámara, en m = Calor del aire en W/m , obtenido por diagrama psicométrico o por tabla. 3
3
Si se desconoce el nivel de infiltraciones que pueda tomar la cámara podemos estimar las pérdidas por este motivo:
Para cámaras grandes de almacenamiento en un 10% Para cámaras de almacenamiento y distribución en un 25% Para cámaras pequeñas en un 40%
Por ejemplo, para cámaras grandes sería:
4.1.5. Cálculo de carga térmica por fuentes internas. 4.1.5.1.
Cálculo de la carga por personas
El cuerpo humano al desarrollar cualquier actividad está desprendiendo calor, aun cuando no realice actividad física, el simple hecho de que su organismo trabaje para mantenerlo vivo es suficiente para que se libere calor. La energía calórica cedida por los ocupantes está en función directa de la actividad que desarrolle en el interior del espacio. Existen valores determinados para ciertas actividades que se pueden desarrollar en el área a tratar, los cuales se localizan para su uso práctico en tablas. Los valores que se muestran en estas tablas como el equivalente del calor por persona (ECPP) es la suma del calor sensible más su correspondiente calor latente. Las personas desprenden calor en distintas proporciones, dependiendo de la temperatura, tipo de trabajo, corpulencia, etc. Dado el grado de aleatoriedad de esta variable se toma directamente de tabla. El calor total de las personas será:
Ecuación 20. Carga por personas.
25
Siendo:
= Número de personas que entran a la cámara. = Calor desprendido por persona. = tiempo medio de permanencia de las personas en la cámara. 4.1.5.2.
Cálculo del calor generado por el alumbrado.
Se asocia básicamente al calor generado por la iluminación que habrá dentro de la cámara, ya sean lámparas, tubos fluorescentes o lo que sea ocupado para esta necesidad. Si se conoce la potencia del alumbrado instalado el valor del calor generado será:
∑ Ecuación 21. Carga alumbrado.
Dónde:
= Numero luminarias. = Potencia luminarias. = Eficiencia Luminarias. Para los tubos fluorescentes se toma un 25 % de incremento de la potencia instalada. Si se desconoce la potencia instalada se pueden tomar para zonas de almacenamiento 12 W/ y para zonas de trabajo 27 W/ . En este último cálculo, hemos de tener en cuenta que 1 W en lámparas incandescentes normales equivalen a aproximadamente 0,2 W en lámparas de bajo consumo.
4.1.5.3.
Cálculo de calor evaporadores.
generado
por
los
ventiladores
de
los
Como la potencia de los ventiladores se desconoce a priori se considerará para este concepto un 10 % de la suma de las potencias ya calculadas en los apartados anteriores, por lo que queda de la siguiente manera:
Ecuación 22. Carga ventiladores.
Dónde se tiene:
= Carga térmica generada por las paredes. = Carga térmica generada por las personas u ocupantes. = Carga térmica generada por las infiltraciones o renovaciones de aire. = Carga térmica generada por el alumbrado, iluminación dentro de la cámara. = Carga térmica generada por la carne o producto a enfriar.
26
4.1.6. Obtención de la carga térmica total Para obtener la carga térmica total se debe sumar todas las cargas obtenidas anteriormente y aplicarle un factor de seguridad de un 10 % con lo que quedaría de la siguiente manera:
Ecuación 23.Carga térmica total.
Se deben tener en cuenta para calcular la carga térmica total, las horas de funcionamiento de los equipos.
27
Capítulo 5 Selección de Componentes
28
5.1. Ciclo de refrigeración de la refrigeración. Para el sistema de refrigeración opere correctamente, son necesarios 4 equipos indispensables:
Compresor
Condensador
Válvula de expansión
Evaporador
Figura 6. Componentes Ciclo refrigeración.
5.1.1. Análisis termodinámico del ciclo Planck El ciclo Planck ideal de refrigeración consta de cuatro procesos, donde se tiene:
5.1.1.1.
Compresión isotrópica:
Consiste en la compresión a entropía constante (isotrópicamente) del refrigerante, esto se produce mediante un compresor mecánico. Aquí la sustancia ingresa con título 1, alcanzando finalmente una presión de alta.
5.1.1.2.
Rechazo de calor :
Este proceso se caracteriza por el intercambio de calor que realiza el refrigerante hacia la atmosfera. Por este proceso el refrigerante se condensa a presión constante (isobáricamente), hasta llegar que el refrigerante llegue a un título igual a 0.
5.1.1.3.
Expansión isoentálpica:
En este proceso el refrigerante se expande a entalpia constante (isoentálpica), por medio de un dispositivo de expansión, con el fin de bajar la presión de la sustancia.
5.1.1.4.
Admisión de calor:
Una vez terminada la expansión isoentálpica, el refrigerante comienza a absorber energía térmica por medio de un intercambiador de cal or (evaporador). 29
5.2. Equipos. 5.2.1. Compresor Este equipo cumple las funciones de: reducir la presión en el evaporador, hasta que el refrigerante llegue a una temperatura fijada. Además de mantener la presión retirando los vapores y elevando la temperatura del medio condensado. Entre los tipos de compresores se encuentran:
Compresor alternativo: este tipo de compresor puede encontrarse de simple o de doble efecto, esto depende de la compresión del fluido si se realiza a un lado del pistón o en ambos extremos. El más utilizado es el de simple efecto. Compresor de tornillo: son conocidos además como compresores helicoidales, esta compresión es continua. El cual funciona por medio de dos rotores en conjunto de un sistema de rodamientos, los cuales producen la compresión dentro de una cámara. Compresor abierto: es el tipo de compresor más antiguo, el que se caracteriza por sus grandes dimensiones y su bajo número de revoluciones debido al gran tamaño de los cilindros. Este equipo tiene la desventaja de su cierre hermético el que provoca fugas de refrigerante y de aceite. Compresores herméticos: su característica radica en las dimensiones reducidas y el poco ruido de estos equipos. Estos equipos pueden funcionar a altas revoluciones. Compresores semiherméticos: la ventaja de estos equipos consiste en la capacidad que se puede desmontar las piezas para luego ser reparados. El equipo es más robusto en comparación a los herméticos.
5.2.2. Evaporador Un evaporador es un intercambiador de calor, con el fin de conseguir una temperatura dentro de un recinto. La principal función de este equipo es asegurar el intercambio de calor entre el medio y el fluido refrigerante. Donde en el proceso el fluido para evaporarse requiere de la absorción de calor. Dentro de la clasificación de los evaporadores se tienen:
Evaporadores inundados: para este tipo de evaporadores el fluido refrigerante entra en estado líquido y sale como una mezcla de gas y líquido, pero el porcentaje predominante es el líquido. Estos equipos poseen un gran rendimiento, debido a que la salida del refrigerante tiene un porcentaje mayor de líquido. Esto supone que la diferencia entre las temperaturas del ambiente y del fluido es prácticamente constante. Evaporadores semi inundados: están formados por dos colectores de distintos diámetros, los cuales están conectados por un sistema de tubos en paralelo, por donde circula el líquido refrigerante. Estos tipos de evaporadores generalmente son de tubos con aletas. Evaporadores secos: en este tipo el fluido refrigerante se encuentra en la salida del evaporador en estado gaseoso. La alimentación de estos evaporadores se produce generalmente por medio de válvulas de expansión termostáticas
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5.2.3. Condensador Este elemento es un intercambiador de calor, este causa la condensación de los gases provenientes de la salida del compresor. El condensador debe ser capaz de extraer y disipar el calor absorbido en el evaporador y en los procesos de compresión. Los condensadores se pueden clasificar dependiendo el medio por el cual disipa el calor, donde se encuentran:
Condensadores refrigerados por aire: este tipo de condensadores normalmente trabaja en condiciones de convección forzada. Según su forma, los condensadores se pueden clasificar en tubos lisos, tubos con aletas o de placas. El más utilizado es el de tubo con aletas. Donde la separación de estos elementos facilita el paso del aire y la posibilidad de acumular suciedad en el condensador Condensadores refrigerados por agua: en este grupo se pueden encontrar condensadores que utilizan el calor sensible del agua, el calor latente o una combinación de ambas. Entre los que utilizan el calor sensible se pueden encontrar de distintas cantidad de tubos, dirección de flujo refrigerante, verticales u horizontales. Los condensadores que utilizan el calor latente del agua también son llamados condensadores evaporativos, dentro de este tipo se pueden encontrar condensadores con aletas, pulverizadores. En cambio los condensadores que utilizan el calor sensible y el calor latente se caracterizan por constituirse de serpentines de agua para el enfriamiento.
5.2.4. Válvulas de expansión. Entre las funciones de esta válvula se encuentran: i. ii. iii.
Regular la cantidad de fluido refrigerante que entren al evaporador. Controlar las presiones en los extremos de la válvula. Causar la expansión del fluido.
Dentro de las tipos de válvula, las más utilizadas son:
Válvulas manuales: son válvulas utilizadas en condiciones de carga térmica constante. Son utilizadas en montajes by-pass con otra válvula de expansión para complementar la regulación o en momentos críticos como la avería de otra válvula. Tubos capilares: se utilizan en donde la carga térmica varía poco. Esta consta de un tubo de tamaño pequeño, que une el flujo del condensador al evaporador. Este elemento causa la caída de presión y de temperatura. Probando la expansión del refrigerante. Válvulas de expansión termostáticas: este elemento de expansión tiene la capacidad de generar la caída de presión entre el condensador y el evaporador. Este elemento funciona por el accionamiento de un bulbo sensor de temperatura encargado del cierre y abertura del caudal de refrigerante. Válvulas de expansión de flotador: estas válvulas constan de un flotador que se encarga de controlar el líquido refrigerante. Estas válvulas se pueden clasificar como de alta o baja presión.
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5.3. Refrigerante. 5.3.1. Definición de Refrigerante. De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o sustancia que actúe como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Desde el punto de vista de la refrigeración mecánica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión. Los refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeración mecánica. Cualquier sustancia que cambie de líquido a vapor y viceversa, puede funcionar como refrigerante, y dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que haga estos cambios, va a tener una aplicación útil comercialmente. Existe un número muy grande de fluidos refrigerantes fácilmente licuables; sin embargo, sólo unos cuantos son utilizados en la actualidad. Algunos se utilizaron mucho en el pasado, pero se eliminaron al incursionar otros con ciertas ventajas y características que los hacen más apropiados. Recientemente, se decidió descontinuar algunos de esos refrigerantes antes del año 2000, tales como el R-11, R-12, R-113, R-115, etc., debido al deterioro que causan a la capa de ozono en la estratósfera. En su lugar, se van a utilizar otros refrigerantes como el R-123, el R-134a y algunas mezclas ternarias.
5.3.2. Identificación de Refrigerantes Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que significa "refrigerante". El sistema de identificación ha sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Es necesario estar familiarizado con los números, así como con los nombres de los refrigerantes.
5.3.3. Requerimientos de los Refrigerantes Para que un líquido pueda ser utilizado como refrigerante, debe reunir ciertas propiedades, tanto termodinámicas como físicas. El refrigerante ideal, sería aquél que fuera capaz de descargar en el condensador todo el calor que absorba del evaporador, la línea de succión y el compresor. Desafortunadamente, todos los refrigerantes regresan al evaporador arrastrando una cierta p orción de calor, reduciendo la capacidad del refrigerante para absorber calor en el lado de baja.
32
5.3.4. Propiedades Termodinámicas. Son aquellas que tienen relación con el movimiento del calor. Estas propiedades se publican para cada refrigerante en forma de tablas. Estas tablas se dividen en dos secciones: Propiedades de Saturación de Líquido y Vapor, y Propiedades del Vapor Sobrecalentado. Las primeras se dan comúnmente a intervalos de temperatura, y las segundas, se dan tanto a intervalos de presión, como de temperatura. Estas tablas son elaboradas por los fabricantes de refrigerantes y algunas asociaciones relacionadas con refrigeración, y se pueden encontrar en libros de texto, manuales o boletines técnicos. Las de mayor aplicación para resolver problemas de cálculos y diseño de equipos, son las tablas de propiedades termodinámicas de saturación. Las Propiedades termodinámicas son las siguientes:
Presión: Las presiones que actúan en un sistema de refrigeración, son extremadamente importantes. En primer término, se debe operar con presiones positivas; es decir, las presiones tanto en el condensador como en el evaporador, deben ser superiores a la presión atmosférica. Si la presión en el evaporador es negativa, es decir, que se esté trabajando en vacío, hay riesgo de que por una fuga entre aire al sistema. Por esto, el refrigerante debe tener una presión de evaporación lo más baja posible, pero ligeramente superior a la presión atmosférica. Temperatura: Hay tres temperaturas que son importantes para un refrigerante y que deben ser consideradas al hacer la selección. Estas son: la de ebullición, la crítica y la de congelación. El punto de ebullición de un refrigerante debe ser bajo, para que aun operando a presiones positivas, se pueda tener una temperatura baja en el evaporador. Debe tener una temperatura crítica por arriba de la temperatura de condensación Por otra parte, la temperatura de congelación de un refrigerante, debe ser más baja que la temperatura del evaporador. No se puede utilizar un refrigerante que se congele a la temperatura de trabajo del evaporador. Volumen: En un sistema de refrigeración, al agregar calor al refrigerante, aumenta su temperatura y su volumen específico, pero su presión permanece constante; ya que, en el evaporador, en la línea de succión y en el condensador, la temperatura de saturación es lo que controla la presión del vapor sobrecalentado. Inversamente, si disminuye la temperatura del refrigerante, disminuye su volumen específico. Por lo tanto, el refrigerante debe tener un valor bajo de volumen específico en fase vapor, y un valor alto de volumen en fase líquida. Entalpia: Es la propiedad que representa la cantidad total de energía térmica o contenido de calor, en un fluido. Sus unidades son kcal/kg. Para la mayoría de los refrigerantes, se considera que su entalpia es cero a una temperatura de saturación de -40°C. Entonces, el calor agregado o sustraído de un refrigerante, desde ese punto, se considera que es su entalpia total. Por lo tanto debe tener un valor alto de calor latente de vaporización. Densidad: La densidad de un fluido, puede definirse como su peso por unidad de volumen. Las unidades en que se expresa esta propiedad, son comúnmente kg/m³ o puede utilizarse también kg/l. Los valores de la densidad tienen algunas aplicaciones útiles para cálculos de ingeniería, mayormente la densidad en fase líquida. La densidad en fase vapor es útil en problemas que involucran al evaporador, la línea de succión y el condensador. La densidad en fase líquida se utiliza, entre otras cosas, para calcular la capacidad de cilindros o tanques recibidores. Entropía: La entropía, es pues, una relación que describe la energía relativa en el refrigerante, y se determina dividiendo la cantidad de calor en el líquido o en el vapor, por su temperatura absoluta. Al igual que las otras propiedades termodinámicas de los 33
refrigerantes, también se tienen en la tabla valores para el líquido y para el vapor a intervalos de temperaturas. Similar a la entalpia, el valor de entropía de un refrigerante líquido a -40°C, es 0, y los valores que realmente importan, son los cambios de entropía desde una temperatura de saturación a otra.
5.3.5. Propiedades Físicas y Químicas.
No debe ser tóxico ni venenoso. No debe ser explosivo ni inflamable. No debe tener efecto sobre otros materiales. Fácil de detectar cuando se fuga. Debe ser miscible con el aceite. No debe reaccionar con la humedad. Debe ser un compuesto estable.
5.4. Selección Del Refrigerante 5.4.1. Refrigerante R-134a. El R-134a es un refrigerante HFC de cero potencial de destrucción del ozono y con propiedades muy similares al R-12. Es utilizado como un refrigerante puro en las aplicaciones que tradicionalmente usaban R-12 y como componente en mezclas de refrigerantes diseñadas para sustituir R-502 y R-22. Los fabricantes de compresores y sistemas ya tienen disponibles equipos que han sido diseñados específicamente para el R-134a. Pruebas de laboratorio y en el campo también han confirmado que el R-134a funciona bien como un sustituto para reconversiones en sistemas que usan R-12 y R-500.
5.4.2. Comparación con otro refrigerante utilizado. En Estocolmo, Suecia, la agencia de la protección del ambiente anunció no utilizar el refrigerante HCFC22 (refrigerante R-22) en equipos nuevos a partir del año 2010 en países desarrollados. Por otra parte, se han desarrollado varios refrigerantes alternativos para sustituirlo, y el que más se aproxima desde el punto de vista energético al R-22 es el R-134a (hidrofluorocarbono). Además, con el refrigerante R-134a el ciclo de refrigeración tiene la misma eficiencia que con el refrigerante R-22. Además, el R-134a, al no ser tóxico ni inflamable, cumple con las normas de seguridad más severas, como las que establece la ASHRAE y los Underwriters Laboratories (UL) en Estados Unidos. Las principales ventajas con respecto a otros refrigerantes son:
El R- 134a es el mejor fluido que no afecta la capa de ozono para reemplazar el R-12 y R22.
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El R-134a tiene una temperatura crítica elevada, lo que permite que los sistemas enfriados por aire conserven altos niveles de rendimiento a altas temperaturas de condensación. El R-134a se usa ampliamente en numerosas aplicaciones asegurando así su disponibilidad comercial en todo el mundo. No es tóxico. No es inflamable. No es corrosivo. Compatible con los materiales de construcción de los equipos.
5.5. Humidificación La humidificación consiste en la adición de agua al aire. Este elemento (humedad) es importante de considerar en el estudio del diseño de la cámara de conservación ya que para productos alimenticios como las carnes, pescados, frutas y verduras. Es necesario tener una humedad relativa entre rangos de 95% y 98%. Por esto son necesarios equipos capaces de mantener esta humedad, debido a que el proceso de refrigeración puede provocar problemas de deshidratación. Entre los equipos controladores de la hum edad se pueden encontrar:
Humidostatos son elementos de control directo de la humedad. Controlan la puesta en marcha o paro automático de un humidificador cuando el nivel de humedad en aire baja o sube de los niveles preestablecidos, disparando el encendido o apagado automático del humidificador. Higrómetros son instrumentos de medida que indican los grados de humedad del aire o algún gas determinado mediante unos sensores que determinan la variación existente y la unidad de medida habitual que utilizan es el %. Existen higrómetros de condensación, higrómetros de resistencia eléctrica o higrómetros químicos. higrostatos electrónicos son elementos de medición que controlan la humedad relativa en el interior de un habitáculo, y actúan activando una resistencia según la medición previa que se haya ajustado, evitando la formación de indeseables condensaciones y la posible corrosión de algunos componentes. Los Led que lo integran se encienden cuando la resistencia se pone en marcha.
5.6. Poliuretano. El poliuretano es un agente químico, ampliamente utilizado en d iversos procesos, es muy usado en fabricación de pinturas sintéticas, destacándose, la de los automóviles. Las cuales logran una alta adherencias al metal y grandes resistencias a la inclemencia del tiempo. Ya sea en verano o en invierno. Asimismo, el poliuretano, en la actualidad, también es utilizado en la fabricación de espumas. Incluso en la fabricación de paneles aislantes, para cámaras frigoríficas. Logrando un muy buen aislamiento del frió. Proceso que requiere de la inyección agentes inchantes, en el poliuretano. Lo que provoca que el material, se infle literalmente. Pero la gracia en su utilización como aislante, es que a diferencia de las esponjas normales, las cuales presentan poros abiertos, el poliuretano logra un acabo sin poros. Sin aquella cualidad, sería inútil su utilización en el campo de la refrigeración industrial.
35
5.6.1. Características del poliuretano. Es una espuma rígida compuesta por cerdillas cerradas de forma hexagonal en cuyo interior retienen el gas 141-B que una sustancia ecológica. Es una sustancia orgánica por síntesis química. El poliuretano es un resultado de la mezcla del isocionato y poliol, este último encargado de proveer el agente expansor y espumante. Esta composición brinda una alta eficacia como aislante térmico, acústico e impermeable. El poliuretano es un material por demás noble que en muchos países del mundo es de uso tradicional. En nuestro país es más conocida la utilización en la industria frigorífica.
5.7. Cable Calefactor AKO-5231. Los suelos de las cámaras frigoríficas se construyen con una capa de aislamiento térmico para reducir parte del calor que por conducción atraviesa el suelo hacia el interior de la cámara, enfriando el subsuelo. A pesar del aislamiento térmico del suelo, debe compensarse la cantidad de calor que lo atraviesa, para evitar que se hiele el subsuelo.Si este se helara, expandiría hacia arriba con fuerza suficiente para levantar y agrietar el suelo de la cámara frigorífica, pudiendo incluso, debilitar los cimientos del propio edificio. Este efecto es conocido como "frost heave". El Instituto Internacional del Frío, recomienda varios sistemas de protección contra el "frost heave", uno de ellos, es utilizar elementos calefactores eléctricos colocados debajo del aislamiento térmico, extendidos en el suelo en forma de parrilla.
5.7.1. Características. Es de tipo paralelo y la potencia la entrega por metro lineal constante. El elemento calefactor es un hilo de níquel cromo que esta enrollado en espiral alrededor de los dos conductores aislados del cable, con los que hace contacto alternativamente en puntos determinados. El cable va formando internamente, un sistema de muchas resistencias en paralelo alim entadas por dos conductores. Se recomienda instalar 2 metros de cable por cada metro m 2 por superficie de suelo.
Tabla 8. Especificaciones técnicas Ako-5231.
36
Capítulo 6 Costos
37
6.1. Matriz de costos.
Material
Cantidad
Precio Unitario
Subtotal
Calefactor de suelo
40
5905
236200
Chapa de Acero
35
19990
699650
Compresor
1
417000
417000
Condensador
1
212895
212895
Evaporador
1
385900
385900
Humidificador
1
96000
96000
4761
250
1190250
Lamparas
12
12341
148092
Poliuretano
10
2609
26090
Presostato
2
123224
246448
Puerta
1
130000
130000
Válvula Expansión
1
29890
29890
Válvula Retención
1
9250
9250
Ladrillos
Total Tabla 9. Costos.
38
3827665
Capítulo 7 Referencias
39
7.1. Referencias Bibliográficas.
Rafael Lopez Vasquez, Ana Casp Vanaclocha, Tecnologia de Mataderos, Mundi Prensa 2004.
Catainfri S.L, Guía Básica del Frigorista, Cap. 15 Varios Cálculos y Diseño 2010.
Dr. Ing. Gonzalo E. Salinas Salas, Apuntes de Transferencia de Calor 2012.
7.2. Páginas web.
Construcción de cámaras frigoríficas http://www.quiminet.com/articulos/construccion-de-camaras-frigorificas-2681775.htm
Almacenamiento de alimentos http://www.fao.org/docrep/004/t0566s/t0566s12.htm
Manual de Diseño para la construcción con acero, C apitulo 1 http://www.ahmsa.com/Acero/Complem/Manual_Construccion_2013/Capitulo_1.pdf
Transpaletas. http://www.ocasionespulido.com/articulo/5856/Transpaleta-Manual-De-Pesaje-SinImpresora-Scale-7007-Ed.htm
Ako 5231 http://www.ako.com/w4fs/mobject/nombre/355231000__1.pdf
Catalogo. http://www.intercal.cl/Show_Page.asp?page_id=548
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Anexos
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Memoria de cálculo. Apéndice A: Cálculo sistema rieles para cerdo. Cálculo del esfuerzo de fluencia.
Cálculo del momento.
Cálculo del módulo de resistencia.
Ahora mediante la tabla de vigas estructurales se tiene una viga I 240.
Apéndice B: Cálculo de Cargas Térmicas Cálculo del espesor del aislante Se tiene entonces la fórmula general de la ganancia o pérdida de calor:
Se sabe también que lo máximo que se puede perder de calor a través de las paredes por unidad de superficie en una cámara de refrigeración es Q/A= 8 W/ . Y donde el coeficiente global de transferencia de calor es:
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Reemplazando está ecuación en la fórmula anterior y despejando el espesor del aislante tenemos que:
( )] [ Y la pared constará desde el interior hacía el exterior de una chapa de acero, Espuma de Poliuretano (aislante), ladrillo-concreto, y chapa de acero respectivamente. Datos: Material
Conductividad (W/m°C)
Térmica Espesor (m)
Acero Inoxidable
19
0,005
Ladrillo
2,32
0,14
Concreto
1,37
0,14
Espuma de Poliuretano
0,023
Tabla 10. Características materiales pared.
Por lo tanto la ecuación queda de la siguiente manera:
( )] [ Con:
=24 °C = 0 °C = = 9,3 W/ (Según Norma ASHRAE) = 0,85 = 0,15 Q/A= 8 W/
Espesores y conductividades térmicas en tabla anterior. Resolviendo, el espesor de aislante adecuado para el poliuretano será de:
= 0,0467 m = 46,74 mm Por lo tanto se ocupará una plancha de Poliuretano de 50 mm.
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Cálculo Calor Que Atraviesa la Pared Para el cálculo del calor que entra a la cámara o frío que se pierde de la cámara, se ocupará la ecuación siguiente:
Donde reemplazando el espesor del aislante calculado, el flujo de calor por superficie unitaria da un valor de:
Cabe destacar que esta ganancia de calor es utilizable para las paredes y para el techo. Para el piso se utilizará un sistema de un cable calefactor paralelo para protección de suelos en cámaras . frigoríficas, el cual dará una ganancia de calor de
Áreas de la cámara:
Pared Lateral: 13,608 = 27,216 para las 2 paredes. Pared Frontal: (A.Pared – A.Puerta)=11,016 – 2 = 9,016 Pared Trasera: 11,016 Techo: 20,5632 Piso: 20,5632
Por lo tanto el flujo de calor total que atraviesa la pared viene dado por:
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Cálculo de carga térmica del producto El calor sensible a extraer, para enfriar el producto, desde su temperatura inicial hasta la de refrigeración y la cual viene dada por:
Por lo tanto se calculará el calor sensible para l a carne de cerdo y para la carne de pollo. Los datos de los calores específicos de las carnes fueron extraídos de las tablas 1 y 2. Datos:
= 3,31 KJ/Kg °C = 2,3 KJ/Kg °C = Ti – Tf
Ti = 7°C Tf = 0°C = 1035Kg = 500 Kg 3 Hrs= 10800 seg. 2 Hrs= 7200 seg.
El Calor sensible del cerdo será:
El Calor sensible del Pollo será:
Por lo tanto la ganancia de calor total de los productos será de:
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Cálculo de carga térmica por infiltración o renovación de aire El calor por renovación del aire se calculará aplicando la fórmula:
Datos:
= 55,5 (Volumen cámara de refrigeración) = 4,81 W/ ( Tabulado a partir de la tabla de calores) = 10/Día (Tabulado a partir de la tabla de renovaciones)
Tabla 12.Renovaciones de aire para cámaras de conservación y congelación
Tabla 11.Calor de aire.
Se calcula y el valor que resulta es de:
2670 W 46
Cálculo de carga térmica por fuentes internas Cálculo de la carga por personas El calor total de las personas será:
Datos:
= 2 Personas = 270 W/Hr (Tabulado por tabl de potencias liberados por personas) = 5 Hrs
Tabla 13.Potencia Liberada en W por las personas según las temperaturas de l a cámara en °C
Por lo tanto el calor liberado por las personas es:
Cálculo del calor generado por el alumbrado
Si se conoce la potencia del alumbrado instalado el valor del calor generado será:
∑ Dónde:
= 12 Lámparas LED = 50 W = 80 % = 0,8 47
Tabla 14.Lámparas LEDs Con sus respectivas potencias y eficacias.
Por lo tanto para la distribución de 12 lámparas led, con Lum de 4000 cada una, aceptable para un recinto como la cámara de refrigeración, tenemos que la carga térmica es:
Cálculo de calor generado por los ventiladores de los evaporadores Como la potencia de los ventiladores se desconoce a priori se considerará para este concepto un 10 % de la suma de las potencias ya calculadas en los apartados anteriores, por lo que queda de la siguiente manera:
Reemplazando los cálculos ya efectuados, tenemos que la carga por ventiladores de los evapores es:
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Obtención de la carga térmica total Para obtener la carga térmica total se debe sumar todas las cargas obtenidas anteriormente y aplicarle un factor de seguridad de un 10 % con lo que quedaría de la siguiente manera:
Anexo C: Ciclo de Refrigeración en la Cámara Se tiene los datos de la temperatura del medio, que es 24°C y con la cual más la variación de la temperatura media que varía entre 10 a 15°C se tiene una temperatura de condensación de condensación de 36°C. La temperatura de evaporación se obtiene mediante la diferencia de temperaturas entre la temperatura interior de la cámara de refrigeración y una temperatura promedio dependiente de la humedad relativa del aire dentro de la misma cámara. A continuación a través del software “Termograf” se obtienen los datos requeridos en los diferentes procesos del ciclo para poder
encontrar y seleccionar componentes.
Grafico 3.Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor
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Cálculo Flujo Másico del refrigerante
̇
Con: = 242,42 KJ/Kg; = 76,2257 KJ/Kg y Q ya calculado anteriormente como carga térmica total del sistema, tenemos:
̇ ̇ Cálculo de la potencia del compresor
̇ Con: h2=264,131 KJ/Kg; por lo tanto l a potencia del compresor será de:
Cálculo calor rechazado al medio
̇ Con: h3=78,6171 KJ/Kg; por lo tanto la potencia del compresor será de:
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Apéndice D: Tablas.
15. Propiedades R-134a saturado. Saturado, Tabla de presión. Tabla:Tabla Propiedades deldel R-134a Tabla de presión
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Tabla 16.Propiedades del R-134a saturado, Tabla de temperatura
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Tabla 17.Propiedades de aire seco a presión atmosférica.
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Tabla 18. Entalpía del aire a baja presión.
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Apéndice E: Catálogos. Poliuretano.
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Compresor.
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Evaporador.
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Condensador
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Válvula de expansión.
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Presostato
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Válvula Selenoide.
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