Universidad Autónoma de Nayarit Facultad de Ciencias Básicas e Ingenierías Ingeniería Química Ingeniería de Alimentos
Diseño de cuarto de refrigeración
Alumno:
Fernando González Chávez
Profesor
José Armando Ulloa
Este proyecto se divide en dos partes, la primera es un diseño de un cuarto para enfriar manzanas a 0 °C y la segunda es para congelar las manzanas a -15 °C. Cabe mencionar que la segunda parte del proyecto, jamás se realizaría en la realidad, puesto que si las manzanas llegan a congelarse pierden su calidad, puesto que el congelamiento daña sus tejidos, haciéndolas incluso no comerciables y no aptas para el consumo.
Diseño de cuarto de enfriamiento para manzanas a 0 °C Cargas de calor A continuación se describen las ecuaciones para diseñar el cuarto frio. De manera general en esta sección se describen las distintas entradas de calor y las ecuaciones que las representan. Descripción de cada entrada de calor
Ecuaciones que representan cada tipo de entradas de calor
Dado que el cuarto frio consta de 4 paredes, un techo y suelo, será necesario calcular la entrada por cada una de estas caras. Se tomará en cuenta la transferencia de calor por conducción, es decir, debida al diferencial de temperatura que existe entre el exterior y el interior y dado que las paredes estarán compuestas por al menos dos materiales, se usará la ecuación siguiente que representa la transferencia de calos para materiales en serie.
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Un aspecto que es de vital importancia es el cálculo de la masa a enfriar, en este caso de manzanas, mediante las ecuaciones que a continuación se presentan se puede calcular el volumen o dimensiones del cuarto de enfriamiento, así como la masa de manzanas que pueden almacenarse en función del tamaño del cuarto frio. Es importante mencionar que el cálculo puede hacerse de manera inversa, es decir, se puede proponer primero la cantidad de masa a enfriar y en función de la masa se calculan las dimensiones o volumen del cuarto de enfriamiento. Las ecuaciones son:
Masa de manzanas a enfriar (almacenar):
Volumen de cuarto de enfriamiento:
Descripción de las variables no definidas D= Ancho del cuarto de enfriamiento L=Largo del cuarto de enfriamiento Z=Alto del cuarto de enfriamiento V= Volumen del cuarto de enfriamiento Fa= Velocidad de flujo del aire que circundante M= Masa del material almacenado Ta = Temperatura ambiente tar= Tiempo requerido para el cambio de aire ΔP= Pérdida de presión del flujo de aire a través del cuarto ε = Fracción vacía del empacado ρa= densidad del aire Cpa = calor específico del aire ρs = densidad del material (Manzanas) Cp manzana =calor específico de la manzana r= calor de respiración Bi = Espesor del material i Ki = Conductividad térmica del material i A= Área de intercambio de calor
Valores de diseño Antes de comenzar con los cálculos necesarios es conveniente presentar los valores de las variables de diseño y algunos datos. D L Z V Fa Ta tar
= = = = = = =
15 m 38 m 5m 2850 m3 75 kg/s 33 °C = 306 K 6 horas
ΔP = 75 Pa ε = 0.85 ρa = 1.293 kg/m3 ρs = 850 kg/m3 Cpa = 1 KJ/Kg *K Cp manzana =0.87 BTU/ (lb °F) r = 14.7 W/ton Bi = (este valor es conveniente especificarlo en su sección correspondiente) Ki = (este valor es conveniente especificarlo en su sección correspondiente) A = (este valor es conveniente especificarlo en su sección correspondiente) T almacenamiento = 0°C = 273 K Conversiones A lo largo del proyecto es necesario realizar muchas conversiones, dado que es poco práctico indicar cada vez que se haga una de ellas, se listan a continuación los factores de conversión que se usarán para este proyecto. 1 in = 2.54 cm 12 in = 1 ft 1ft2 = 0.09290304 m2 1 BTU = 1055.05585 J 1 KW = 3414.426 BTU/h 1 J/S = 1 watt 1Kwatt = 1000 watt 1 h = 3600 s 1 Ton de refrigeración = 12,000 BTU/h = 3.517 KW °C = (°F-32)/1.8 °F = (°C+32)*1.8 K = °C+273
Con estos datos es posible comenzar a hacer los cálculos necesarios. Volumen del cuarto frio V= (15 m) (38 m) (5 m) = 2850 m3 Masa de las manzanas (
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Calor debido a la renovación del aire
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Calor debido al medio ambiente, a través de las paredes Primeramente es necesario identificar la nomenclatura para las paredes, esto se hace con la siguiente imagen:
Figura 1.
Usando los puntos cardinales y el punto de referencia cada pared se nombra como sigue: Pared este y oeste (izquierda o derecha): 1 y 2 Pared norte y sur (fondo o frente): 3 y 4 Techo y piso: No es necesario darle alguna nomenclatura especial puesto que son fácilmente identificables. Debido a la geometría del cuarto de enfriamiento (un prisma rectangular) Las paredes 1 y 2 son iguales entre sí (misma área), de la misma manera lo son las paredes 3 y 4, así como el techo y el piso.
Especificaciones de materiales de construcción del cuarto de enfriamiento Para las cuatro paredes, el material de construcción es “ladrillo de construcción”, con un espesor de 8 in (0.66666 ft). El cual tiene una conductividad térmica k=0.4 BTU/ (h*ft*°F). El techo está hecho de concreto con piedra con 6 in (0.5 ft) de espesor. La conductividad de este material es k= 0.54 BTU/ (h*ft*°F). El piso tiene un espesor de 3 in (0.25 ft), el material de construcción es concreto con escoria, el cual tienen una conductividad de 0.20 BTU/ (h*ft*°F).
El material elegido como aislante es espuma de poliuretano con un espesor de 4.5 in (0.375 ft). K= 0.018 BTU/ (h*ft*°F), como se puede observar el valor de su conductividad es bajo, característico de materiales aislantes. El aislante se colocará en las 4 paredes del cuarto, así como en el techo y el piso. Para este proyecto se decidió usar aislante en el piso, aunque no siempre es así, pues en ocasiones no resulta adecuado económicamente hablando, pero dado que en este proyecto no se tienen ese tipo de consideraciones, se hace la suposición de que en este caso resultará rentable. Para el cálculo del calor a través de cada pared es necesario saber el área de las mismas, para esto se realizará el cálculo de dicho valor primeramente para posteriormente usarlo.
Figura 2. Área de pared norte y sur A= 5 m * 38 m = 190 m2 = 2045.143 ft2 Área de pared este y oeste A = 15 m * 5 m = 75 m2 = 807.293 ft2 Área techo y piso
A = 15 m * 38 m = 570 m2 =6135.43 ft2
La temperatura ambiente se eligió como 33 °C, suponiendo la estación de verano en el estado de Nayarit. Se supuso que el cuarto de refrigeración está totalmente expuesto, es decir no se encuentra dentro de alguna edificación o cuenta con alguna protección extra. La temperatura de la pared exterior es la temperatura ambiente. Ahora se puede proceder a realizar el cálculo de calor, con las consideraciones hechas.
Figura 3.
Calor pared norte y sur Recordando la ecuación: (
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Calor pared este y oeste (mismos materiales que caso anterior)
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Calor por el techo
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Calor por el piso En este caso, se cambia la temperatura ambiente por la temperatura del suelo, la cual se tomó como 15 °C = 59 °F.
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Ahora se puede calcular la entrada de calor debido al medio ambiente:
Calor debido a la respiración
Calor debido a los ventiladores Debido a que el cuarto frio es grande necesita un ventilador para hacer circular el aire; este también aporta una cantidad de calor que se calcula como a continuación se presenta:
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Calor debido a la iluminación Suponiendo que se colocan 10 lámparas con una potencia de 100 Watts; el techo se divide en 5 secciones de 7.6 m * 15 m. Cada sección tiene 2 lámparas, suficientes para alumbrar de manera adecuada el tamaño de esa sección. Las lámparas solo se utilizan mientras se realizan operaciones dentro del cuarto, en promedio se trabaja 3 horas por día, es decir 3 h/ 24 h.
Figura 4.
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Calor por hombres Suponiendo que son 5 hombres los que trabajan en el cuarto fríos, 3 horas cada día (3 h/ 24h).
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Calor por empaque Para calcular el calor por empaque es necesario calcular la masa total del empaque, y para eso es necesario saber el número de cajas. Para conocer el número de cajas es necesario saber el número de manzanas. Puesto que en promedio cada manzana pesa 0.250 Kg y sabiendo que se tiene una masa total de manzanas = 363,375 kg, por lo tanto:
Si se usa una caja denominada caja de 40 Lb, donde caben 73 manzanas aproximadamente, se necesitan entonces:
Si cada caja de cartón pesa aproximadamente 4 kg, la masa total del empaque se calcula de la siguiente manera: (
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Datos y consideraciones: Cp del cartón = 0.3 BTU / Lb °F Las cajas entran al cuarto de enfriamiento a T= 25 °C = 77 °F
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En este punto se toma como que el tiempo para enfriar o retirar el calor calculado es de 48 horas. Por lo tanto:
Como ya se mencionó, este calor se retira solo durante las primeras 48 horas de almacenamiento.
Calor por producto Suponiendo que las manzanas entran al cuarto con una T= 25 °C = 77 °F La masa de estas M=363,375 kg = 800,385.4626 Lb
(
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Si el enfriamiento total toma 48 horas aproximadamente, entonces
De igual manera que con el calor por el empaque, este calor es retirado en 48 horas, por lo que solo es tomado en cuenta para este intervalo de tiempo.
Calor total Tal como se indica en la bibliografía, la mayor cantidad de energía se gasta en las primeras fases de enfriamiento, pues es cuando el material a enfriar tiene la mayor carga calórica; después de llegar a la temperatura deseada los requerimientos de enfriamiento disminuyen drásticamente, esto es fácil de entender, puesto que ahora las únicas cargas de calor serán las que aporten el medio ambiente, la iluminación, la respiración de las manzanas ,los trabajadores y el ventilador para hacer circular el aire. Es por eso que a continuación se harán los cálculos del calor total para las primeras 48 horas y para el periodo posterior a este.
Por supuesto hay que mencionar que esto es una aproximación, puesto que en la realidad, cada cierto tiempo estarían retirando ciertas cantidades de manzanas e ingresando cargas nuevas, pero eso estaría en función de la demanda de producto y generalmente estas entradas y salidas no son constantes, por lo que se consideran fuera del alcance de este proyecto. Cálculo de calor total para las primeras 48 horas:
Parecen valores muy grandes, sin embargo, para los volúmenes de material que se trabajan los valores presentados son los esperados. Para lograr este enfriamiento, se necesitaran 3 evaporadores de alto perfil que trabajan de 52,000 a 278,000 BTU/h. Este tipo de evaporador se encuentra en el mercado y es de la marca BOHN. Son ideales para aplicaciones industriales como es el caso de este proyecto.
Cálculo de calor pasadas las 48 horas
Al llegar las manzanas a la temperatura deseada, se apagarían 2 de los evaporadores y se dejaría trabajando solo uno a 90,000 BTU/h.
Diseño de cuarto de enfriamiento para congelar manzanas a -15 °C Se usarán las mismas condiciones que en la parte anterior, mismas dimensiones del cuarto, mismos materiales, mismas condiciones ambientales; la única diferencia es que la temperatura al interior del cuarto es – 15 °C, y también que en este caso no se toma en cuenta el calor de respiración, pues las manzanas al congelarse dejan de respirar. Explicado esto, se puede comenzar con los cálculos pertinentes:
Calor debido a la renovación del aire
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Calor debido al medio a través de las paredes Calor pared norte y sur Recordando la ecuación: (
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Calor pared este y oeste (mismos materiales que caso anterior)
(
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Calor por el techo
(
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Calor por el piso En este caso, se cambia la temperatura ambiente por la temperatura del suelo, la cual se tomó como 15 °C = 59 °F.
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Ahora se puede calcular la entrada de calor debido al medio ambiente:
QF, QI y QH tienen el mismo valor que en la parte anterior, puesto que no están en función del valor de la temperatura del cuarto frio.
Calor por empaque
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En este punto se toma como que el tiempo para enfriar o retirar el calor calculado es de 96 horas, se supone que dura más puesto que la temperatura es menos y por lo tanto se dura más tiempo en llagas a la temperatura deseada:
Calor por producto Para obtener este calor es necesario hacer otras consideraciones, como es primeramente calcular el calos para llegar a la temperatura de congelación, enseguida calcular el calor para que el agua de la manzana pase a estado sólido, es decir, congelar la manzana; y por último para llegar desde la temperatura de congelamiento hasta la temperatura de almacenamiento, es decir – 15 °C.
Q hasta la T de congelamiento (
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Q para congelar
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Q para llevar a – 15°C = 5°F ( (
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Si el congelamiento total se logra hasta las 96 horas
Calor las primeras 96 horas
Se necesitan % evaporadores de alto perfil de capacidad máxima de 278,000 BTU/h y uno más de 190,000 BTU/h durante las primeras 96 horas hasta congelar las manzanas a -15 °C.
Después de ese periodo las necesidades de enfriamiento se reducen a:
Pasadas las 96 horas, basta con tener funcionando el evaporador con capacidad de 190,000 BTU/h a 101,822 BTU/h para mantener las condiciones deseadas.
Las especificaciones de los evaporadores son obtenidas de equipos que están en el mercado, de la marca BOHN
Como comentarios finales, se puede observar que no se consideraron algunas cargas de calor, como son las filtraciones por la puerta al momento de abrir y cerrar el cuarto, así como también las cargas por los motores de los evaporadores, esto tiene una explicación. En cuanto a las filtraciones existen algunas técnicas que permiten prácticamente acabar con las filtraciones por la puerta, consideraciones que se tomaron para el diseño de este cuarto. Se supuso que el cuarto cuenta con una corriente de aire frio paralela a la pared, esto hace que al abrirse la puerta el aire caliente de fuera no pueda entrar; se consideró también que en la entrada se cuenta con cortinas de plástico transparente, ampliamente usadas en la industria, estas impiden en gran medida la filtración de calor. En cuanto a los motores de los ventiladores, existe la posibilidad de que los motores queden fuera del cuarto de enfriamiento, eliminando así la carga calórica por parte de estos motores. Para concluir, se observó que la necesidad de enfriamiento para la parte de congelación, dentro del periodo de 96 horas, es muy grande, esto es porque en realidad se necesita retirar mucho calor ya que la masa de manzanas es enorme, pero como ya se dijo antes, es muy poco probable que en la realidad se diseñe un cuarto con esas características para congelar manzanas puesto que el congelamiento daña a las manzanas de modo que no serían comerciables debido precisamente a los daños causados por la congelación.
Bibliografía [1] Food Process Design Zacharias B. Editorial Marcel Dekker Capítulo 5 [2] Operaciones Unitarias en Ingeniería Química Warren L. McCabe Editorial Mc Graw Hill Páginas: 316 – 322. [3] Principios de Almacenamiento de Papa Centro internacional de la papa Editorial Hemisferio sur Páginas 56 -59 [4] Dimensiones de cuarto frio http://www.conservaenergia.com/empresas/fanosa/cuartos_frios.htm
[5] Estrategias del diseño de cuartos fríos http://www.angelfire.com/ia2/ingenieriaagricola/cuartos.htm [6] T & P Refrigeration Evaporadores de alto perfil http://www.typrefrigeracion.com.mx/index.php?page=shop.product_details&f lypage=flypage.tpl&product_id=119&category_id=106&option=com_virtuem art&Itemid=41
