UNIVERSIDAD DE CHILE. FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y FARMACÉUTICAS. DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE LOS ALIMENTOS Y TECNOLOGÍA QUÍMICA. INGENIERÍA EN ALIMENTOS PROCESOS DE CONSERVACION POR BAJAS TEMPERATURAS
Informe 2: “Determinación de la carga calórica y cálculo teórico del ciclo de refrigeración de una planta de elaboración de mortadela refrigerada”
NOMBRE ALUMNA:
Flavia Rodriguez Santibañez
NOMBRE PROFESOR:
Eduardo Castro Montero
FECHA:
18 Octubre de 2013
Santiago, 18 de Octubre 2013 Señor: Profesor de Asignatura, Procesos de conservación por bajas temperaturas, Universidad de Chile Don Eduardo Castro Montero, Presente,
Junto con saludarlo, me dirijo a usted con el fin de entregarle el segundo informe del proyecto del diseño de una planta elaboradora de “Mortadela refrigerada”. Dicho informe contiene la determinación de la carga calórica y cálculo
teórico del ciclo de refrigeración de la planta. Sin otro particular, esperando su acogida agradeciendo de antemano, me despido atentamente de usted,
Flavia Rodríguez Santibáñez Alumna de Ingeniería en alimentos Universidad de Chile
Resumen
El presente informe consiste en el cálculo de la carga calórica de cada uno de los equipos de frío de la planta elaboradora de mortadela refrigerada. A través de este cálculo se determinaron las toneladas de refrigeración correspondientes a cada equipo de frío. Para esto se consideró el calor que se transmite al espacio frío a través de las paredes aisladas, el calor cedido por el producto a refrigerar, el calor que ingresa al espacio frío con el aire exterior que penetra a través de las puertas, y la carga miscelánea proveniente de los motores eléctricos, luces, cajas y personas que operan en el espacio frío. La capacidad requerida por el equipo en la cámara de refrigeración fue de …… Toneladas de refrigeración.
Por otra parte se presentó los cálculos realizados para el ciclo de refrigeración de la cámara, para lo cual se usó el diagrama Presión / Entalpía del refrigerante R404A, determinándose la masa de refrigerante circulante.
Introducción
A diferencia de otros procedimientos, la conservación por frío es el único capaz de conseguir que el sabor natural, el olor y al aspecto de los productos apenas se diferencien del natural. (Castro et al, 1983). Para obtener una refrigeración óptima se debe conocer qué cantidad de calor se desea extraer y así realizar un correcto cálculo del tamaño de los equipos de refrigeración, resultando que en esta cámara se mantengan temperaturas bajas. Las consideraciones básicas para el cálculo de requerimientos de frío para la conservación de alimentos refrigerados son:
El flujo de la carga de calor al espacio frío (carga de ganancia de calor).
El tamaño del evaporador necesario para remover este calor.
El tamaño del compresor necesario para mantener el sistema de operación. El cálculo de la carga de ganancia de calor del espacio frío determina el
tamaño del compresor y este, a su vez, determina el tamaño del evaporador. En el cálculo de la carga de ganancia de calor total (q) en el espacio frío, se consideran las siguientes fuentes de flujo de calor al espacio frío considerando:
Calor que se transmite al espacio enfriado, desde el exterior, por conducción, a través de las paredes aisladas.
Calor entregado por el producto, al bajar su temperatura al nivel deseado.
Carga miscelánea: proviene de motores eléctricos, luces, personas que trabajan en espacio frío, etc. (Castro y cols., 1984).
Debido a los antecedentes mencionados, el objetivo del presente informe es entregar los principales aspectos para la determinación de la carga calórica y cálculo teórico del ciclo de refrigeración de una planta de elaboración de uva mortadela refrigerada
Desarrollo
A. Calculo de la ganancia de calor para la cámara de almacenamiento de embutidos terminados.
1. Carga de calor que se transmite al espacio enfriado desde el exterior por conducción a través de paredes, techo y piso aislado .
Para esto se usaran las siguientes ecuaciones:
(Osorio y cols., 1983). Donde las variables representan: Variable
Descripción
Unidades
Q
Flujo de Calor al espacio frío
U
Coeficiente integral de transferencia térmica
A
Superficie basada en las dimensiones exteriores
Temperatura del aire exterior
Temperatura del aire interior
Espesor de cada capa de material
Conductividad térmica
Coeficiente de convección de la película de aire exterior
Coeficiente de convección de la película de aire interior
Dimensiones de cámara: Ancho: 10 metro = 32,8 pies Largo: 12 metros = 39,4 pies Alto: 7 metros = 23 pies Espesor de paneles: 0,075 m = 0,246 pies Áreas: Pared Norte y Sur: Pared Poniente y Oriente: Cielo y suelo: Respecto a las paredes:
Estas son construidas por paneles pre fabricados RUDNEV, los cuales por presentar un grosor de 75 mm tienen una densidad de 10,5 de 0,467
y una conductividad
(Ver anexo 2). Para poder usar estos datos se necesita que la
conductividad este en unidades de BTU, pies y grados Fahrenheit por esto se realiza una conversión de unidad:
Reemplazando en la ecuación (2):
Usando esto en la ecuación (1):
Para el cielo:
Reemplazando en ecuación (2):
Usando este resultado en la ecuación (1):
Para el piso: Este está formado de diferentes materiales con espesores distintos por esto el coeficiente de transferencia térmico constara de mas términos, teniendo una estructura tal:
Donde:
Material
Espesor (pie)
Conductividad(BTU/ h pie °F)
1
Hormigón armado
0,9842
0,66
2-4
Polietileno de baja
0,00328
0,2022
3
Aislapol
0,6562
0,0181
5
Hormigón pobre
1,31
1,83
6
Grava aprisionada
0,6562
1,25
7
Bolones
1,31
1,83
Reemplazando en ecuación (3):
Reemplazando en la ecuación (1):
La ganancia de calor producida por paredes, cielo y suelo, para la cámara es:
2. Carga de calor por cambio de aire
Ecuación:
(Osorio y cols., 1983) Donde: Variable
Descripción
Unidad
Flujo de calor por cambio de aire
Volumen de aire, tomado como volumen
interior del espacio frío
Numero de cambios de aire
Calor extraído para enfriar el aire exterior a la
temperatura del espacio frío
Por lo tanto, reemplazando todo en la ecuación (4):
3. Carga de calor entregada por el producto
Ecuación:
(Osorio y cols., 1983) Donde: Variable
Descripción
Unidades
Masa de producto en un día
Calor especifico del producto
Temperatura de producto al entrar a la cámara
Temperatura del producto dentro de la cámara
(Calculado de la ponderación del cp de agua en un 70% y del aceite en un 30%)
Reemplazando en ecuación (5):
4. Carga miscelánea
Esta carga es aportada por envases, motores eléctricos, luces y personas. Se calcula por medio de la formula (6) para cada una de ellas:
(Osorio y cols., 1983)
Donde: Variable
Descripción
Masa
Calor especifico
Unidades
Temperatura al entrar a la cámara
Temperatura dentro de la cámara
A) Envasado -
Cajas de cartón
Reemplazando en la ecuación (6):
-
Racks Los racks como se encuentran dentro de la cámara, y no deberían salir de esta en toda su vida útil es innecesario calcular su carga calórica porque el delta temperatura presente en la ecuación (6) seria cero, haciendo cero el resultado.
-
Pallet
Reemplazando en la ecuación (6):
Resultado:
B) Luces Ecuación:
(Perry, 1950) Donde: Variable
Descripción
N
Numero de lámparas
A
Área del piso de cámara
U
Factor de uso
D
Factor de Depreciación
L
Numero de lúmenes por lámpara
F
Intensidad
Unidades
Room index t
Tiempo de uso
H
Reemplazando estos datos en (7):
Luego en la primera ecuación (7):
C) Personas Ecuación:
Donde: Variable Factor
Descripción
Calor aportado por una persona en un período de tiempo de una hora Número de trabajadores Tiempo de permanencia
N° t
Reemplazando en la ecuación (8):
D) Motores eléctricos Ecuación:
Unidades
Donde: Variable
Descripción
N
Numero de equipos
F
Factor
Unidades
P
Potencia
t
Tiempo de uso
Esto debe ser calculado por separado para cada equipo distinto: -
Ventiladores
Reemplazando en la ecuación (9):
-
Transpaleta
Reemplazando en la ecuación (9):
Por lo tanto:
Resultado:
5. Carga total
Siempre existe la posibilidad que esta carga caloría sufra un aumento por esto se considera un factor de seguridad de un 10% (Osorio y cols., 1983)
B. Capacidad requerida del equipo
Se supone funcionamiento del compresor de 20 horas (Castro y cols.,1983). Se deberá realizar un cambio de unidades para el calor total corregido:
Con este resultado se calcula las toneladas de refrigeración:
C. Estructura del sistema de refrigeración Se adjunta el diagrama de Mollier, donde se encuentran los diagramas de presión versus entalpia. (ver anexo 8). Se ha escogido el refrigerante R-404A para la cámara de refrigeración.
Se debe considerar mantener una diferencia de 10°F entre la temperatura del refrigerante en el evaporador y la del espacio frío, para evitar la desecacción. (Castro y cols., 1983) Por tanto:
Por medio del diagrama de Mollier y estas temperaturas se obtiene las respectivas presiones:
Como se obtiene un Rcp menor a 7, quiere decir que el sistema es de una etapa. Con esto, se calculan las pérdidas de carga del compresor por succión y descarga.
a) Interpretación del diagrama de Mollier b) Cálculo de la masa del refrigerante c) Potencia del compresor
Bibliografía
Castro, E. (1986). "Propiedades térmicas de los alimentos". Proyecto I 1182 - 8555. Departamento de Ciencia de los Alimentos y Tecnología Química. Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas. Universidad de Chile. Santiago, Chile.
Castro, E., Osorio, F., Guarda, A. (1983) "Conservación de alimentos mediante frío I: Refrigeración". Proyecto I 1182 - 8335. Departamento de Ciencia de los Alimentos y Tecnología Química. Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas. Universidad de Chile. Santiago, Chile.
Perry, J. (1950) “Chemical Engineer’s Handbook”, Third Edition. Mc Graw -
Hill Company Inc.
BASF IT 1210 (1985) Información Técnica “Aislaciones Industriales Frigoríficos”, Santiago, Chile.
Anexos:
Anexo 1: Tabla 1.1: Conductancia superficial para estructuras de edificio. CONDUCTANCIA SUPERFICIAL PARA ESTRUCTURAS DE EDIFICIO (f)
Techos Techos Paredes Paredes
Conductancia de superficie (Btu por h por pie 2 por ºF) Interior 1.65 Exterior 6.00* Interior 1.65 Exterior 6.00*
1.20 4.00+ 1.65 4.00+
* Velocidad media del viento 15 mph + Velocidad media del viento 8 mph
Fuente: Conservación de Alimentos Mediante Frío. I Refrigeración, 1983
Anexo 2: Tabla 2.1. Propiedades según espesor Espesor del panel RSP mm 50 75 100 125 150
Propiedades según espesor Temperatura * Luces máximas Peso panel de la cámara entre soportes ºC mm Kg/m2 +12 +5 0 -8 -15
4.000 5.000 6.000 6.650 7.000
10,0 10,5 11,0 11,5 12,0
Transmitancia térmica K W/m2ºC 0.700 0.467 0.350 0.280 0.233
175 200 225 250 300
-20 -25 -30 -40 -40
7.500 8.000 8.500 9.250 10.500
12,5 13,0 13,5 14,0 15,0
0.200 0.175 0.156 0.140 0.117
Anexo 3:
Anexo 4: Tabla: BTU/pie3, de aire removidas al enfriar a condiciones de almacenamiento arriba a 30ºF Temperatura de cuarto de almacenamiento ºF
Temperatura del aire de entrada ºF 85
90
95
100
Humedad relativa del aire, % 50
60
70
50
60
70
50
60
50
60
65
0.65 0.85 1.12 0.93 1.17 1.44 1.24 1.54 1.58 1.95
60
0.85 1.03 1.26 1.13 1.37 1.64 1.44 1.74 1.78 2.15
55
1.12 1.34 1.57 1.41 1.66 1.93 1.72 2.01 2.06 2.44
50
1.32 1.54 1.78 1.62 1.87 2.15 1.93 2.22 2.28 2.65
45
1.50 1.73 1.97 1.80 2.06 2.34 2.12 2.42 2.47 2.85
40
1.69 1.92 2.16 2.00 2.26 2.54 2.31 2.62 2.67 3.06
35
1.86 2.09 2.34 2.17 2.43 2.72 2.49 2.79 2.85 3.24
30 2.00 2.24 2.49 2.26 2.53 2.82 2.64 2.94 2.95 3.35 Reproducida de Refrigeration Engineering Data Book por cortesía de la American Society of Refrigerating Engineers
Anexo 5:
Anexo 6: Equivalente calorífico de personas: Temperatura
Calor equivalente/Persona
del enfriador F Btu/h
50 40 30 20 10 0 -10
720 840 950 1050 1200 1300 1400
Reproducida del ASRE Data Book, Design Volume, Edición 1949, con permiso de la American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers. Fuente: Conservación de Alimentos Mediante Frío. I Refrigeración, 1983
Anexo 7: Equivalente calorífico de motores eléctricos: Hp del motor
Carga conectada
Perdida del motor
Carga conectada
Fuera del espacio
fuera del espacio refrigerado3
Enel espacio Refrigerado1
Refrigerado2
½a½ ½a3 3 a 20
4250 3700 2950
2545 2545 2545
1700 1150 400
1 Para usarse cuando tanto las pérdidas del motor como la salida útil se disipan dentro del espacio refrigerado. Motores para ventiladores de circulación forzada en enfriadores unitarios. 2 Para usarse cuando las pérdidas del motor son disipadas fuera del espacio refrigerado y el trabajo del motor se emplea dentro de este espacio. Bombeo en un sistema de salmuera o agua de enfriamiento circulante, motor de ventilador fuera del espacio refrigerado que mueve al ventilador dentro del espacio. Para usarse cuando las pérdidas de calor en el motor se disipan dentro del espacio refrigerado y el trabajo útil se efectúa fuera de este espacio. Motor en espacio refrigerado. Moviendo bomba o ventilador localizado fuera del espacio. Reproducida del ASRE Data Book, Design Volume, Edición 1949, con permiso de la American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers. Fuente: Conservación de Alimentos Mediante Frío. I Refrigeración, 1983
Anexo 8:
