Contenido Introducción................................................................................................................... 4 1.
Diseño de cámara frigorífica de 15 toneladas para almacenar Pejerrey fresco......4 1.1.
Parámetros de diseño:.....................................................................................4
1.2.
Características del producto a almacenar........................................................4
1.2.1.
Capacidad de la cámara frigorífica.......................................................4
1.2.2.
Temperatura de almacenamiento:............................................................6
1.2.3.
Propiedades del alimento a almacenar:....................................................6
1.2.4.
Dimensionamiento de la cámara frigorífica:..............................................7
1.3.
1.3.1.
Cargas y verificaciones.............................................................................9
1.3.2.
Efecto de la temperatura........................................................................16
1.3.3.
Lista de componentes.............................................................................16
1.4.
2.
Diseño de la estructura metálica......................................................................9
Cálculos energéticos.....................................................................................16
1.4.1.
Carga a enfriar......................................................................................16
1.4.2.
Cálculos de espesor de aislante requerido........................................17
1.4.3.
Pérdidas de calor....................................................................................17
1.4.4.
Temperatura requerida del aire...............................................................19
1.5.
Ciclo termodinámico......................................................................................20
1.6.
Selección de equipos.....................................................................................23
1.7.
Selección de accesorios................................................................................25
1.8.
Selección de puertas.....................................................................................25
1.9.
Montaje de equipos.......................................................................................25
1.10.
Lista de componentes principales del esquema técnico.............................26
1.11.
Sistema de tuberías...................................................................................28
1.12.
Selección de accesorios.............................................................................32
Diseño de la cámara de 05 toneladas para almacenamiento de filete congelado.32 2.1.
Parámetros de diseño:...................................................................................32
2.2.
Características del producto a almacenar......................................................32
2.2.1.
Capacidad de la cámara frigorífica.....................................................32
2.2.2.
Temperatura de almacenamiento:..........................................................33
2.2.3.
Propiedades del alimento a almacenar:..................................................34
2.2.4.
Dimensionamiento de la cámara frigorífica:............................................34
2.3.
Diseño de la estructura metálica....................................................................34
2.3.1.
Cargas y verificaciones...........................................................................34
2.3.2.
Efecto de la temperatura........................................................................41
2.3.3.
Lista de componentes.............................................................................42
2.4.
Cálculos energéticos.....................................................................................43
2.5.
Selección de equipos.....................................................................................44
2.6.
Accesorios para cámaras frigoríficas.............................................................46
2.7.
Selección de puertas.....................................................................................46
2.8.
Sistema de tuberías.......................................................................................47
2
Introducción En el presente documento, se detallarán los procedimientos seguidos así como también las tablas de cálculo y resultados necesarios para dimensionar las cámaras frigoríficas del proyecto. Además, los cálculos energéticos nos permitirán seleccionar los equipos, accesorios e implementar los sistemas de tuberías, control e instrumentación y de electricidad necesarios para el correcto funcionamiento de las cámaras frigoríficas. El producto a almacenar, pejerrey fresco y filete de pescado congelado, requiere de ciertas condiciones al interior del recinto para mantener su calidad en estado óptimo; por ello, se calcularon las propiedades necesarias del producto en base a su composición y dimensiones. Adicionalmente, se encontró el punto de equilibrio para el funcionamiento del sistema frigorífico así como también se identificó los accesorios necesarios para el correcto funcionamiento del sistema.
1. Diseño de cámara frigorífica de 15 toneladas para almacenar Pejerrey fresco A continuación se presentarán los cálculos para la cámara frigorífica de 15 toneladas para almacenar Pejerrey fresco. 1.1. Parámetros de diseño: Para realizar el diseño de la cámara frigorífica de almacenamiento, se requiere determinar ciertos parámetros de diseño. Estos permitirán realizar los cálculos energéticos y estructurales necesarios para proceder con la construcción del almacén frigorífico. Estos parámetros dependen del producto que se almacenará y de las condiciones del sitio en el cual se realizará la construcción. 1.2. Características del producto a almacenar Se necesita almacenar Pejerrey fresco sin vísceras. El producto estará colocado junto con 7 kilos de hielo en jabas caladas (Figura 1 .1) sumando un peso total de 32 kilos. 1.2.1. Capacidad de la cámara frigorífica Por requisito del cliente, se necesita almacenar una cantidad total de 15 toneladas de Pejerrey fresco.
Figura 1.1: Jaba calada.
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Adicionalmente, estas jabas caladas estarán apiladas sobre una parihuela plástica (Figura 1 .2). Cabe mencionar que la parihuela posee las ranuras necesarias en la parte inferior para facilitar el transporte por medio de stockas.
Figura 1.2: Parihuela plástica. Proveedor:
En la Figura 1 .3 se puede observar las que muestran el apilamiento de jabas caladas en una parihuela (vistas superior, frontal y lateral).
Figura 1.3: Apilamiento de jabas sobre una parihuela Vista superior (arriba), vista frontal (izquierda) y vista lateral.
Para la disposición de las jabas de esta manera, se siguió la recomendación adecuada para el diseño de cámaras frigoríficas que indica dejar un espacio pequeño entre jabas tal como se muestra en la Figura 1 .4 para así permitir el flujo de aire entre las jabas y se facilite la transferencia de calor entre el pescado y el aire frío. Por la misma razón, debe de existir un espacio entre parihuelas plásticas. 4
1.2.2. Temperatura de almacenamiento: Para almacenar pescado fresco, la temperatura del producto debe de estar en el rango de -2°C a 1°C [FAO, 1999]. Por ello, se tomó la decisión de almacenar el Pejerrey fresco a una temperatura promedio de la cámara de 0°C y de esta manera prolongar su conservación en el almacén hasta 15 días sin alterar de manera significativa sus propiedades. Dentro de este período, el pescado aún es apto para el consumo humano si se lleva un estricto control sobre la temperatura en el centro térmico del producto.
Figura 1.4: Espaciamiento entre jabas (vista superior).
1.2.3. Propiedades del alimento a almacenar: Se empleó las diversas propiedades térmicas calculadas con la ayuda del Manual de Refrigeración de ASHRAE 2010. En cuanto a las propiedades más importantes, encontramos a las siguientes: -
Conductividad térmica del pejerrey Calor específico del pejerrey fresco y del filete congelado Coeficientes de convección según la velocidad del aire de la cámara y la temperatura del producto, tanto para el pescado fresco como para el filete. Entalpías del pescado que varía según la temperatura del producto. Densidad del pescado
Estos valores fueron determinados en el capítulo anterior para el diseño del túnel de congelamiento.
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1.2.4. Dimensionamiento de la cámara frigorífica: Se calcula el número de parihuelas necesarias para acumular las 15 toneladas de producto fresco procesado. Para la cantidad de jabas a distribuir en una parihuela se limitó una altura máxima de 1,7 metros ya que se consideró esta altura como razonable para que el personal pueda alcanzarla sin problemas (Figura 1 .5). Adicionalmente, se determinó en base al área que ocupa cada jaba el número de jabas que alcanzan en un nivel del arreglo según el área de la parihuela (Figura 1 .6).
Figura 1.5: Altura máxima para colocar jabas.
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Figura 1.6: Número máximo de jabas distribuidas sobre la parihuela.
De esta manera, se encontró que en cada parihuela se dispondrá de un total de 20 jabas caladas debidamente espaciadas, por lo que cada parihuela soportará un total de:
CPP=NJ∗CPJ Donde: CPP = Cantidad de Pescado por Parihuela (kg/parihuela) NJ = Número de jabas CPJ = Cantidad de Pescado por Jaba (kg/jaba) Reemplazando los valores, se obtiene:
20∗25=500( kg/ parihuela) Si se desea almacenar un total de por lo menos 15.000 kg de pescado, se requieren:
15000 =30 parihuelas 500 Para la distribución de las parihuelas al interior de la cámara y el dimensionamiento de esta, se tuvo en cuenta los siguientes condicionantes: -
Se requiere distribuir la carga térmica total en varios evaporadores para que de esta manera se garantice una adecuada distribución de aire a lo largo de toda la cámara. 7
-
-
-
Se requiere agrupar las parihuelas en pequeños grupos con un número par de parihuelas ya que de esta manera se obtiene un arreglo de parihuelas uniforme y de cuatro lados. El espaciamiento entre el arreglo de parihuelas y la pared más cercana debe de ser de por lo menos 2 metros, ya que de esta manera se asegura el libre tránsito de la stocka transportando una parihuela. Se consideró un espacio de hasta 32 parihuelas para permitir asignar a cada evaporador una misma carga térmica homogénea de 8 parihuelas para cada evaporador.
Para diseñar el arreglo del interior de la cámara se tuvo en cuenta la necesidad de diseñar una estructura metálica con un espaciamiento entre columnas que no interrumpa el libre tránsito del producto a lo largo de los corredores, ocupando así un área rectangular de dimensiones 18 metros x 12 metros. Estas dimensiones tienen en cuenta también la necesidad de reforzar la estructura alrededor, formando una especie de perímetro conformado por correas que servirán para sujetar y alinear los paneles de espuma de poliuretano y evitar así la deflexión de los mismos. 1.3. Diseño de la estructura metálica A continuación, se detallará información acerca del diseño y cálculos de ingeniería básica de la estructura metálica. 1.3.1. Cargas y verificaciones Perfil metálico Se seleccionó tubos estructurales de acero al carbono, doblados en caliente, soldados y sin costura (basado en el Reglamento Nacional de Edificaciones). Para las columnas se seleccionó el tubo galvanizado 150x150 de 6 milímetros de espesor para las columnas y el tubo 100x100 de 6 milímetros de espesor para las vigas ambos del proveedor Aceros Arequipa. Espaciamiento entre columnas En base a las dimensiones generales de la estructura se distribuyeron a lo largo del lado de 18 metros un total de 7 columnas; es decir, cada 3 metros se colocó una columna abarcando el largo total de centroide a centroide. Por otro lado, a lo largo del ancho de 12 metros, se colocó un total de 6 columnas espaciadas cada 2,4 metros. Carga total Se calculó la carga total que soportarán las columnas considerando el peso de los paneles, el peso de los evaporadores y el peso de las vigas asumidas de tubos de 100x100x6mm. Datos de carga: Peso de los paneles de poliuretano: 11,4 kg/m 2. Obtenida del fabricante para el espesor de e=80mm. Peso de los evaporadores: Se seleccionó un evaporador preliminar empleando los valores nominales del catálogo de Alfa Laval para el modelo THOR, obteniendo una masa preliminar de 117 kg para el modelo 126-6.
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Peso de las vigas: Como ya se asumió un perfil preliminar, se cuenta con el valor de la masa distribuida según la longitud obtenida de catálogo. Este valor es de 16,98 kg/metro según Aceros Arequipa. Para toda la estructura, se calcula una carga total de la siguiente manera:
CT 1= AT∗MP∗g Donde: CT1=Carga total 1 (N) AT= Área total del techo (m2) MP= Masa del panel (kg/m2) g= Gravedad (m/s2) Reemplazando, se obtiene la carga total por peso de los paneles:
CT 1=18 x 12∗11,4∗g( N ) CT 1=24624 N
En segundo lugar, se considera la carga debido al peso de los evaporadores:
CT 2=117∗g(N ) CT 2=1170 N Finalmente, se calcula la carga debido al peso de las vigas. Para esto, se calcula primero la longitud en metros del número de vigas aproximada que se emplearán en la instalación.
Medida en el plano
Carga total de las vigas Equivalente en longitud comercial 9
6 vigas de 18 metros 8 vigas de 12 metros Total Masa / metro Carga total
18 vigas de 6 metros 16 vigas de 6 metros 34 vigas de 6 metros 16,98 kg / metro 33,981 kN
Verificación por deflexión Se verificó que la deflexión sea menor que lo indicado por la norma analizando una carga total como carga distribuida a lo largo de 4 vigas apoyadas en 4 columnas. Se considera como caso crítica aquel esquema donde se cuelgan los evaporadores. Cálculo de cargas en el esquema representativo Para la primera carga distribuida, se tiene:
Donde F1 es la resultante de la carga distribuida debido al peso de los paneles en esta área. Cada casilla posee un área de 3 x 2,4 = 7,2 m 2 donde se colocarán los paneles. Estos paneles representan una carga de: 11,4 kg/m2 x 7,2 m2 = 82,08 kg*9,81m/s2 = 805,205 N Calculamos la carga distribuida para cada “cuadrante”
q 1=
82,08 kg ∗g=¿ 7,6 kg / m * 9,81 m/s2 3∗2+2,4∗2
q1 ≈ 76 N/m
Para la segunda carga distribuida, se tiene:
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Además, ya que la carga es de un evaporador que se emperna a un tubo galvanizado 50x50x3mm que a su vez está soldado en dos extremos a la respectiva viga (tal como se observa en la vista de planta) se puede considerar como cargas puntuales:
Como carga preliminar se considera para el evaporador 117 kg lo que equivale a 1170 N. por lo que F2=585 N. Para la tercera carga distribuida, considerando el perfil tipo tubo galvanizado 100 x 100 x 6 mm, de la empresa Aceros Arequipa, se calcula la masa aproximada del peso a soportar.
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Se considera que cada viga pesa 16,98 kg / metro, por ello, las 4 columnas soportan:
Peso de vigas q2 = 12,33 kg / m = 123 Hallamos γeq = γ1 + γp + y2 Donde, y1= Deformación por primera carga equivalente (mm) yp= Deformación debido a segunda carga (puntual) en mm. y2= Deformación debido a la tercera carga equivalente. Resolviendo: y1: Situación equivalente:
y 1=
−5∗q 1∗L 4 384∗E∗I
Donde, E= 2,1*105 MPa 12
El momento de inercia para el perfil es: 4
4
100 −88 I= =3335872 mm4 12
Se obtiene: y1=0,1144 mm yp: Situación equivalente:
F2 )∗L3 2 yp= 48∗E∗I −(
Donde, E= 2,1*105 MPa El momento de inercia para el perfil es: 4
I=
4
100 −88 =3335872 mm4 12
Se obtiene: yp=0,4689 mm y2: Situación equivalente:
y 2=
−5∗q 1∗L 4 384∗E∗I
Donde, E= 2,1*105 MPa El momento de inercia para el perfil es:
I=
100 4−884 =3335872 mm4 12
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Se obtiene: y2=0,1856 mm Sumando las deformaciones, se obtiene un total de: Yeq = 0,1144 + 0,4689 + 0,1856 = 0,77 mm
Verificación por pandeo Pero ahora se procederá a analizar la falla por pandeo en las columnas, debido a que son elementos de una longitud relativamente grande. Para su análisis se usará el Método de Europeo. Este método tiene tres rangos de falla:
El material a usar es el ASTM A 36 galvanizado, el cual cuenta con las siguientes propiedades mecánicas: Material σ fluencia (N/mm2) σ tracción (N/mm2) E (N/mm2)
ASTM A36 240 410 210000
La longitud de la columna a analizar es de 3 m y se está considerando que en la parte inferior esta empotrada mientras que en la superior está articulada con lo cual se tiene un factor para la longitud efectiva la cual es igual a 1. Por lo cual la longitud efectiva es 3 m. De acuerdo a la distribución de fuerzas uniforme en nuestra estructura podemos determinar que la fuerza de compresión sobre las columnas es de 73,4 kg lo cual equivale a una fuerza de 720 N, esta carga admite tanto las fuerzas dadas por los paneles, como el peso propio de los tubos y evaporadores. Luego el elemento estructural a usar es el tubo cuadrado de 150 x 150 x 6 mm, la cual tendrá las siguientes propiedades. I (mm4) 11964672
E (N/mm2) 210000
A (mm2) 3456
λ 54,04
El esfuerzo de compresión calculado es:
σ=
F 720 N = =0,21 A 3456 mm 2
El esfuerzo admisible es de acuerdo con el rango de esbeltez igual al valor de esfuerzo de fluencia. 14
σ adm=σ fluencia =240
N mm 2
Por lo cual podemos ver que el esfuerzo a la cual está sometido las columnas no es mayor que el esfuerzo fluencia. Por lo cual no falla por pandeo.
1.3.2. Efecto de la temperatura Se calculó la deformación debido a una reducción de temperatura de 25°C, obteniéndose una deformación en la unión viga columna de las esquinas y esta deformación generó una deflexión en la columna por lo que se calculó esa fuerza. El caso de análisis se realiza para el diseño de la cámara de 5 toneladas. Adicionalmente, se recopiló información acerca del comportamiento del acero a bajas temperaturas y se llegó a la conclusión de que el valor de su esfuerzo de fluencia aumenta conforme la temperatura de trabajo baja. Sin embargo, el material se vuelve más frágil por lo que se considera que al aumentar su resistencia, es suficiente para que la estructura resista. 1.3.3. Lista de componentes Correas Se colocó correas que servirán para rigidizar la pared de poliuretano evitando su deflexión lateral y serán empernadas a la estructura principal. A su vez, los paneles tipo sándwich se empernarán a estas correas. Pernos Se emplearon pernos de 1/2”-13 (13 indica el número de pasos por pulgada) con un revestimiento para una ultra resistencia a la corrosión de grado 8 de largo 5 ½” con longitud roscada de 1/2”. El paquete de 5 pernos tiene un costo de 14,51 dólares. Además, se emplearon arandelas (donde el paquete de 25 cuesta 7,6 dólares) y tuercas para el respectivo perno según norma. Anclajes Se realizará el anclaje de cada columna de la estructura con 4 pernos de acero galvanizado con gancho tipo J de diámetro ½”-13 , longitud de 8” y longitud roscada de 2 1/2” . Su precio unitario es 5,6 dólares. Se escogió arandelas galvanizadas para pernos ½” con ancho de 0.14”. El costo de paquete de 50 arandelas es de 7,42 dólares. Se escogió tuercas de ½”-13 con ultra revestimiento para protección anticorrosiva. Su precio es de 8,05 dólares el paquete de 25 tuercas. Adicionalmente, la base de concreto para las columnas serán de dimensiones 800x800mm. 1.4. Cálculos energéticos Se realizaron los cálculos energéticos empleando el procedimiento indicado por Melgarejo en su libro “Cámaras frigoríficas”. Para los cálculos energéticos se considerará los siguientes aspectos: 1.4.1. Carga a enfriar 15
Para la carga necesaria a enfriar se consideró que el compresor está apagado hasta que la temperatura del producto pase de -2°C a 1°C. Se considera para el cálculo de la carga térmica el caso crítico donde la cámara está totalmente llena y se necesita enfriar las 15 toneladas de Pejerrey Fresco desde 1°C hasta -2°C. Para esto se debe considerar el siguiente horario de funcionamiento de la cámara: -
Desde las 08:00 se considera que el compresor está trabajando un régimen continuo hasta las 20:00 regulando su capacidad de enfriamiento en caso disminuya la potencia frigorífica requerida por la instalación con la ayuda de la respectiva válvula termostática con toma de presión externa. A las 20:00 el compresor dejará de funcionar. Se estima que luego de 7,6 horas; es decir a las 3:30am, la temperatura del producto habrá aumentado en 3°C. Por esto, a las 03:30 hrs el compresor iniciará su funcionamiento para enfriar las 15 toneladas de pejerrey hasta -2°C para que el producto esté listo para despacharse a las 08:00 hrs. 1.4.2. Cálculos de espesor de aislante requerido
Para realizar los cálculos necesarios para determinar el espesor del aislante requerido para la cámara frigorífica se tuvo en cuenta la temperatura al exterior de la respectiva pared y los valores máximos permisibles de flujo de calor a través de las mismas según el tipo de cámara a aislar. 1.4.3. Pérdidas de calor Pérdidas de calor a través de las superficies internas de la cámara frigorífica Una vez seleccionado el espesor de aislante comercial requerido se procedió a determinar el flujo de calor que recibe la cámara a través de las paredes, el techo y el piso. Este cálculo abarca las pérdidas través de las paredes, el techo y el piso. Datos empleados: Dimensiones de la cámara Largo Ancho Alto Áreas superficiales de las paredes S1 55,05 S2 37,05 S3 37,05 S4 55,05 S5 226,6225 S6 226,62
18,35 m 12,35 m 3 m
m2 m2 m2 m2 m2 m2
PARED PARED PARED PARED piso TECHO
En primer lugar, se calculó el espesor del aislante para la variación de temperatura, en este caso desde 25°C (Temperatura del ambiente) hasta -1 °C (menor temperatura al interior de la cámara). Limitando al flujo de calor a través de las paredes al valor 16
recomendado por Melgarejo a 9,28 W/m^2 para cámaras de refrigeración, se obtiene un espesor requerido de 78mm, por lo que se escogió el espesor comercial mayor y cercano a 78 que es 80mm en paneles de la empresa Metecno. Se encontró en un catálogo que el espesor comercial de 80 mm equivale a un panel de 3” del modelo SuperWall Clean. Se escogió este modelo ya que cuenta con un interior de fibra de vidrio por lo que garantiza un comportamiento higiénico e inocuo hacia el producto.
1 Cálculo del espesor del aislante Qr
Obs.: (recomendación para cámaras de refrigeración) (área asumida)
9,28 W
S 1 text 25 tint -1 K 0,35692308 Para el poliuretano: k 0,028 e 0,07844828 78,45 ecomercial 80
m^2 °C kg/(s^3*K) W/m^2K m mm mm
(caso crítico)
(espesor comercial)
En segundo lugar, se calcula el flujo de calor que ingresa a la cámara a través del área de cada una de las paredes para su posterior suma. Se observó que a través de la “Pared 2” no existe un ingreso de calor sino una salida de calor debido a que colinda con una cámara de menor temperatura (cámara de filete a -18°C). Para fines de cálculo, se consideró la evacuación de calor a través de esta pared igual a cero. A la suma de todos los calores se le denominó “Q1”. Calor total que se libera a través de las paredes Q1 3401,32975 W Q1 3,40132975 kW Pérdidas de calor debido a los cambios de aire La magnitud de pérdidas de calor de este tipo depende principalmente del número de puertas, la diferencia de humedades entre el exterior y el interior y el volumen de la cámara. cambio de aire n° puertas Volumen de la cámara N1 densidad aire Text (°C) Tint (°C)
2 679,8675 m3 6 1,248 kg/m3 25
11,46 0 17
∆h
9,29 kcal/kg
∆h
38,92 kJ/kg
Q2
396247,447
kJ
Pérdidas de calor debido a los ventiladores de los evaporadores Esta pérdida de calor se aproxima de manera preliminar ya que aún no se conoce el número de evaporadores que se emplearan. Esta aproximación emplea un calor a disipar de los ventiladores en función al volumen de la cámara. Pérdidas de calor debido a las luminarias En base a las dimensiones de la cámara se calculó un número determinado de luminarias, y empleando sus consumos unitarios se halló el calor que recibe la cámara. 4
luminarias n° Punit Q4
9 0,29 kW 5,69454545 kW
Pérdidas por diversos servicios Según la bibliografía indicada las perdidas debido al proceso de desescarche, drenajes, e ingresos de personas equivale a un 15% de las pérdidas a través de las paredes y las pérdidas debido a la carga a enfriar. Finalmente se procede a sumar los distintos flujos de calor para obtener la potencia frigorífica necesaria para la instalación. 6 servicios (desescarche, drenaje) 15% de transmision y enfriamiento Q6
4,06539893
En resumen, Qtotal 35,7885343 kW n°evap 4 Qunit 8,95 kW Qperdidas 7,46672868 1.4.4. Temperatura requerida del aire
18
Debido a que es necesario enfriar el producto a una temperatura mínima de -2°C se calculó empleando la teoría de transferencia de calor la temperatura necesaria para que el aire enfríe el pejerrey en hielo. Para esta situación se consideró el caso de que el hielo absorbe el calor del pescado por conducción y que este calor absorbido debe ser extraído por el aire frio, para evitar que el hielo se funda. T1= -2°C
T2= -5°C
-------WWW-----K Pescado ≈ 0°C cuando hielo -1°C (se calienta hasta -1°C)
1 4 x 0,505 = =1,87 W C /K 0,27
Q=
Flujo de calor
Este flujo debe ser absorbido por el hielo para que no se funda con v = 1 m/s (para jabas mas lejanas) 1,87 = (-2 – Ta) x 4 x A,
A=0,53 x 0,3
Ta = -4°C Lista de componentes para uniones entre paneles de poliuretano -
Pegamento de poliuretano líquido Titebond. Perfiles sanitarios de PVC. Esquinero estándar de Calaminon. Perfiles de chapa tipo U PU1 – Ferrocente e=80mm.
1.5. Ciclo termodinámico Para calcular y graficar el ciclo termodinámico, se empleó el programa “Cool pack”. Se determinaron dos estados para los 6 puntos del ciclo termodinámico (Anexo): a) Primer punto (1): T1= -10°C Vapor saturado Se encuentra que P1=434,4 kPa. Empleando un sobrecalentamiento de 10K: b) Segundo punto (2): T2=0°C P2= 434,4
kPa.
Considerando proceso isoentálpico, se halla el punto 3: c) Tercer punto (3): T3=54°C P3=1,81 MPa. 19
d) Cuarto punto (4): P4=1,81 MPa. T4=39,6°C. Empleando un subenfriamiento de 3K: e) Quinto punto (5): P5=1,81 MPa T5=36,6°C f)
Sexto punto (6): P6=434,4 kPa. T6=-10°C
Empleando el programa de Bitzer se encuentra que para absorver 37,7 kW se tiene un caudal másico de 1172 kg/h ó 0,326 kg/s.
20
3
2 1
4 5
6
21
1.6. Selección de equipos Se realizó la selección de equipos en base a las cargas térmicas previamente calculadas. En primer lugar se escogió un número de evaporadores según la distribución de las parihuelas al interior. Para esta cámara, se decidió asignar 4 evaporadores de igual carga de tal manera que cada evaporador enfríe directamente 2 parihuelas. Según los cálculos de carga térmica se obtuvo en total 36 kW de potencia frigorífica requerida para la instalación. Esto equivale a un suministro por cada evaporador de 9 kW. En segundo lugar, se recurre al catálogo de evaporadores Alfa Laval. Se escogió el modelo THOR. Para el almacenamiento de pescado a 0°C, se considera un espaciamiento de los deflectores del ventilador de 6mm. En base a esos 9 kW previamente estimado se escogen 4 evaporadores cuya potencia sea la más cercana a la requerida. Para esto, siguiendo el ejemplo de cálculo del catálogo, encontramos los coeficientes para hallar carga equivalente según el tipo de refrigerante y la temperatura de evaporación del sistema. En tercer lugar, encontramos el factor previamente mencionado para determinar la potencia real del equipo. Cabe mencionar que según los cálculos previamente realizados, se encontró un valor de la temperatura del aire necesaria de -5°C para enfriar el producto. Según las tablas, para un salto térmico de 6 K, se obtiene una temperatura de evaporación (Te) de -10°C, para un salto térmico de 8 K, se obtiene una Te de -12 °C y de la misma manera, para 10 K se obtiene -14°C. Empleando la Te respectiva y el refrigerante seleccionado, en este caso R404a, se encuentra que para Te = -10°C, f=1,44, Te=-12°C, f=1,054; y para Te=-14°C, f=0,83. Utilizando estos factores, dividimos la potencia nominal de los equipos seleccionados entre este factor para encontrar la potencia frigorífica real de cada uno. Finalmente, se elaboró una tabla con los resultados de Potencia frigorífica (kW) vs. Temperatura de Evaporación (Te) para los evaporadores. En cuarto lugar, se empleó el programa Bitzer para seleccionar unidades condensadoras. Se decidió emplear unidades condensadoras (según denominación de catálogo comercial Bitzer) debido a que usan un menor espacio en comparación a utilizar un condensador y un compresor por separado. Esta unidad condensadora está formada por un módulo donde el compresor y el condensador y diversos accesorios secundarios están ensamblados en conjunto. Para la selección de la unidad condensadora se definió los siguientes parámetros: Serie:
estándar
Refrigerante:
R404a
Potencia frigorífica:
35,8 KW
Temperatura de evaporación:
-10°C
Temperatura de ambiente:
25°C
Recalentamiento del gas aspirado: 10°K Asumimos un recalentamiento útil del 100% Modo de funcionamiento automático 22
Frecuencia de red de 60 Hz Tensión de alimentación de 380 V Una vez ingresado estos datos al programa de Bitzer nos proporciona 04 alternativas de compresores que pueden ser utilizados en nuestro sistema. Para cada una de estas unidades condensadoras se tomarán valores de 4 potencias frigoríficas a 4 temperaturas de evaporación distintas. De esta manera se podrá realizar el cruce de gráficas con las gráficas de los evaporadores y encontrar el punto de equilibrio para el funcionamiento de ambos equipos para el sistema. Finalmente se obtiene que empleando la unidad condensadora del modelo LH135/4NES-20Y-40P y el evaporador THOR 126-6. Del cruce de curvas se obtiene que el sistema operará con una potencia frigorífica de 37,8 kW y una temperatura de evaporación de -9,8°C. Datos: evaporador 1 (118-6) evaporador 2 (126-6) evaporador 3 (128-6) Pn 8,9 14,5 17,8 t aire -5 nevap 4 tevap potencia tevap potencia tevap potencia -10 24,7222222 -10 40,2777778 -10 49,4444444 -12 33,7760911 -12 55,028463 -12 67,5521822 -14 42,8915663 -14 69,8795181 -14 85,7831325 118-6 THOR
Object 39
23
1.7. Selección de accesorios Válvula de expansión: Selección según Sporlan 1.8. Selección de puertas Se escogió un ancho de luz de la puerta de 1,5 metros para que una parihuela pueda entrar sobre la Stocka sin dificultades. Se escogió una puerta corredera para que de tal manera ocupe un menor espacio para su apertura. Las dimensiones de la puerta se emplearon según catálogo de la empresa INFRACA y se escogió el modelo IF ya que es el más sencillo. Para esta cámara se emplearán 2 puertas del mismo modelo de espesor de hoja de 90 mm y dimensiones a la altura del corredor central. 1.9. Montaje de equipos Compresor Para fijar el compresor al suelo, se utilizó las recomendaciones de instalación del fabricante Bohn. Colocar una cimentación de concreto de por lo menos 150mm de espesor, encima de esta base, colocar paneles de Neopreno (caucho sintético) para amortiguar las vibraciones del equipo. Se ancló el equipo por recomendación del fabricante a la base de concreto empleando pernos de anclaje para concreto de acero galvanizado ᴓ5/8” – 11 de largo 4 ½”. Se empleó una arandela de presión de acero galvanizado para evitar el desajuste debido a las vibraciones del equipo para una rosca de 5/8”. Además, se empleó la tuerca 5/8”-11 de grado 8 con una altura de 15/16” con revestimiento anticorrosivo. Accesorios secundarios Las cortinas de lamas son de PVC y son tiras de 300x5mm de espesor. El detalle de instalación se especifica en el catálogo. Esquema técnico Descripción del Esquema Técnico: Se definen algunos elementos del esquema técnico para una mejor comprensión. Filtro secador Cumple dos funciones. Filtrar o detener cualquier impureza que se haya introducido al sistema con el fin de evitar obstrucciones en la tubería. La otra función es remover la humedad del sistema de refrigeración Válvula de solenoide Regula en forma automática el paso del fluido del evaporador. Es controlado por el termostato que sensa la temperatura de la cámara. Válvula check 24
Permite solo el paso del refrigerante hacia el condensador y evita el retorno del mismo en el sentido contrario Regulador de presión Se utiliza generalmente cuando funciona un compresor para varios evaporadores. Adicionalmente se utiliza un regulador de presión en el cárter para evitar sobrecargas durante el arranque después de paradas o periodos de descongelamiento Separador de aceite Separar el aceite del refrigerante ya que este disminuye la capacidad frigorífica efectiva del refrigerante. Asimismo devuelve este aceite al cárter del compresor antes de que afecte a otros componentes.
Acumulador de succión Sirve para proveer la suficiente cantidad de refrigerante en estado de vapor al compresor. Evita daños al compresor por acción del retorno al compresor del refrigerante líquido. Un acumulador con tubo vertical tiene como característica principal la caída de presión interna más baja. Cerca del fondo del acumulador se coloca una malla para evitar que las partículas extrañas lleguen al compresor o que tapen el orificio de medición 1.10. Lista de componentes principales del esquema técnico Evaporador Tipo Fabricante Modelo Refrigerante Capacidad frigorífica Nro. Ventiladores
Convección forzada Alfa-Laval. Helpman THOR-B 126-6 R404a 14,5 kW 2
Unidad condensadora Tipo Fabricante
Enfriado por aire Bitzer 25
Modelo Refrigerante Capacidad frigorífica Conexión de succión Línea líquida Nro ventiladores Compresor
LH 135 / 4 NES – 20Y-40P R404a 37,8 kW 1 5/8” (42mm) 7/8” (22mm) 2 Bitzer (semi-hermético)
Elementos de la unidad:
1 1a 1b 2 2a 3 4 4a 6 7 8 9 10 11 12 13 17 18 19 20
Compresor Válvula de descarga Válvula de succión Condensador, aire forzado Ventilador del condensador Línea de condensado Recibidor de líquido Válvula para restringir el líquido Línea de descarga Amortiguador de ruido (silenciadores) Separador de aceite Válvula check Línea de líquido Filtro deshumedecedor Visor Línea de succión Presostato de baja presión de regulación Presostato de baja presión regulador de capacidad Presostato de protección Presostato de seguridad 26
21
Línea para control electrónico.
Recibidor de líquido: Incluido en la unidad condensadora. Separador de aceite: Se realiza el pedido del separador al proveedor y se monta en fábrica por dicho proveedor. 1.11. Sistema de tuberías Empleando los puntos hallados del ciclo termodinámico, se clasifican las líneas del sistema en: -
Línea líquida del (5) al (6). Línea de aspiración del (6) al (1’). Línea de descarga del (1’) al (2).
Aislamiento Antes de aislar cualquier sistema de tuberías se debe de tener en cuenta que la superficie de la tubería debe de estar seca y limpia. Corrosión Para evitar la corrosión en la superficie externa de las tuberías de cobre, se debe sellar todas las uniones entre aislantes para prevenir la condensación entre el cobre y el aislante. Diámetro de las tuberías En resumen, se obtienen los siguientes valores para las tuberías: Tipo de línea Línea líquida Línea de aspiración
Descripción de carga Carga total Cuarta parte de la carga total Carga total Cuarta parte de la carga total
Diámetro ᴓ25 (NPS 1) ᴓ15 (NPS 1/2) ᴓ25 (NPS 2) ᴓ15 (NPS 1)
Línea de descarga
ᴓ20 (NPS 3/4)
El procedimiento de cálculo se muestra a continuación: Criterio de velocidades En primer lugar se empleó el criterio de las velocidades máximas para encontrar los valores de diámetro máximo según el estado del fluido que transporta y la posición de la línea ya se horizontal o vertical. Se emplearon los siguientes datos:
D=4xm/pi/v/p Flujo másico (kg/s) Ρ (kg/m^3)
1
2
3
4
5
6
0,326 21,0
0,326 20,9
0,326 86,4
0,326 108,0
0,326 987,0
0,326 29,6 27
A: vmin gas Horizontal (m/s) B: vmin gas Vertical (m/s) C: vmax gas (m/s) D: vmax liquido (m/s)
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
89 63 36 100
44 31 18 49
39 28 16 44
13 9 5 15
75 53 31 84
Obteniendo los siguientes resultados: Diámetro A (mm) Diámetro B (mm) Diámetro C (mm) Diámetro D (mm)
89 63 36 99
Criterio de pérdidas de presión Se calculó el diámetro de las tuberías empleando el programa “Dircalc” del fabricante “Danfoss”. En primer lugar, para la línea líquida, se considera una velocidad de diseño de 1 m/s por recomendación del libr o “Ingeniería del Frío: Teoría y práctica” de Tereza Sánchez. Para este caso se considera la línea de uno de los cuatro evaporadores.
Línea líquida
Ingresando los datos del sistema al programa:
28
Se observa que para la velocidad recomendada, proporciona un diámetro de valor de diseño 10,7mm. Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 15mm (NPS ½). Adicionalmente, se debe considerar para la misma línea, aquella que transporta la cantidad total de refrigerante que utilizan los 4 evaporadores.
Se observa que, para la velocidad recomendada, se brinda un diámetro de valor de diseño de 20,8mm. Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 25mm (NPS 1). En segundo lugar, para la línea de aspiración, se considera una velocidad de diseño de 12 m/s por recomendación del libro “Ingeniería del Frío: Teoría y práctica” de Tereza Sánchez.
Línea de aspiración
Ingresando los datos del sistema al programa:
Se observa que para la velocidad recomendada, proporciona un diámetro de valor de diseño 41,4mm. 29
Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 50mm (NPS 2). Adicionalmente, se debe considerar para la misma línea, aquella que transporta la cuarta parte de la cantidad total de refrigerante en estado vapor que utiliza un evaporador.
Se observa que, para la velocidad recomendada, se brinda un diámetro de valor de diseño de 21,3mm. Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 25mm (NPS 1). En tercer lugar, para la línea de descarga, se considera una velocidad de diseño de 15 m/s por recomendación del libro “Ingeniería del Frío: Teoría y práctica” de Tereza Sánchez.
Línea de descarga
Ingresando los datos del sistema al programa:
30
Se observa que para la velocidad recomendada, proporciona un diámetro de valor de diseño 18,8mm. Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 20mm (NPS 3/4). 1.12. Selección de accesorios En base al esquema técnico, se seleccionarán los accesorios mencionados. -
Válvula de expansión termostática:
2. Diseño de la cámara de 05 toneladas para almacenamiento de filete congelado A continuación se presentarán los cálculos para la cámara frigorífica de 5 toneladas para almacenar filete congelado de Pejerrey. 2.1. Parámetros de diseño: Para realizar el diseño de la cámara frigorífica de almacenamiento, se requiere determinar ciertos parámetros de diseño. Estos permitirán realizar los cálculos energéticos y estructurales necesarios para proceder con la construcción del almacén frigorífico. Estos parámetros dependen del producto que se almacenará y de las condiciones del sitio en el cual se realizará la construcción. 2.2. Características del producto a almacenar Se necesita almacenar filete congelado de Pejerrey. El producto estará colocado dentro de cajas plastificadas de 5 kg. El filete congelado ya empaquetado al vacío se almacenará en cajas más grandes de cartón plastificado con poliéster de 5 kg, de 240x210 mm. A su vez estos paquetes se colocarán en estantes metálicos de aluminio ya que el plástico resulta dañino para el alimento a temperaturas muy debajo de 0°C. Las dimensiones se indican en el respectivo catálogo.
2.2.1. Capacidad de la cámara frigorífica Por requisito del cliente, se necesita almacenar una cantidad total de 5 toneladas de filete congelado. Los paquetes de 5 kilos de filete congelado serán colocados dentro de estantes de 5 niveles. Estos estantes tienen una capacidad de 10 cajas por cada nivel.
31
2.2.2. Temperatura de almacenamiento: Para almacenar pescado fresco, la temperatura del producto debe de estar en el rango de --20°C a -18°C [FAO, 1999]. Por ello, se tomó la decisión de almacenar el filete congelado de Pejerrey fresco a una temperatura de tal manera que el centro térmico de cada paquete se encuentre a -18°C y de esta manera prolongar su conservación en el almacén por muchos días sin alterar de manera significativa sus propiedades. -
2.2.3. Propiedades del alimento a almacenar: Se emplearon las mismas propiedades que en el diseño de la cámara de 15 toneladas de Pejerrey fresco.
32
2.2.4. Dimensionamiento de la cámara frigorífica: Se calcula el número de estantes necesarios para acumular las 5 toneladas de producto fresco procesado. Para el dimensionamiento de esta cámara se consideró que el espacio requerido entre los pasadizos es de por lo menos 1,4 metros. Este valor es menor que los pasadizos de la anterior cámara ya que en esta cámara no existe la necesidad de maniobrar. Para diseñar el arreglo del interior de la cámara se tuvo en cuenta la necesidad de diseñar una estructura metálica con un espaciamiento entre columnas que no interrumpa el libre tránsito del producto a lo largo de los corredores, ocupando así un área rectangular de dimensiones 7,55 metros x 12,35 metros. Estas dimensiones tienen en cuenta también la necesidad de reforzar la estructura alrededor, formando una especie de perímetro conformado por correas que servirán para sujetar y alinear los paneles de espuma de poliuretano y evitar así la deflexión de los mismos. 2.3. Diseño de la estructura metálica A continuación, se detallará información acerca del diseño y cálculos de ingeniería básica de la estructura metálica. 2.3.1. Cargas y verificaciones Perfil metálico Se seleccionó tubos estructurales de acero al carbono, doblados en caliente, soldados y sin costura (basado en el Reglamento Nacional de Edificaciones). Para las columnas se seleccionó el tubo galvanizado 150x150 de 6 milímetros de espesor para las columnas y el tubo 100x100 de 6 milímetros de espesor para las vigas ambos del proveedor Aceros Arequipa. Espaciamiento entre columnas En base a las dimensiones generales de la estructura se distribuyeron a lo largo del lado de 12,35 metros un total de 5 columnas; es decir, cada 3 metros se colocó una columna abarcando el largo total de centroide a centroide. Por otro lado, a lo largo del ancho de 12 metros, se colocó un total de 3 columnas espaciadas cada 3,6 metros.
33
Carga total Se calculó la carga total que soportarán las columnas considerando el peso de los paneles, el peso de los evaporadores y el peso de las vigas asumidas de tubos de 100x100x6mm. Datos de carga: Peso de los paneles de poliuretano: 15,73 kg/m2. Obtenida del fabricante para el espesor de e=80mm. Peso de los evaporadores: Se seleccionó un evaporador preliminar empleando los valores nominales del catálogo de Alfa Laval para el modelo THOR, obteniendo una masa preliminar de 117 kg para el modelo 136-8 . Peso de las vigas: Como ya se asumió un perfil preliminar, se cuenta con el valor de la masa distribuida según la longitud obtenida de catálogo. Este valor es de 16,98 kg/metro según Aceros Arequipa. Para toda la estructura, se calcula una carga total de la siguiente manera:
CT 1= AT∗MP∗g 34
Donde: CT1=Carga total 1 (N) AT= Área total del techo (m2) MP= Masa del panel (kg/m2) g= Gravedad (m/s2) Reemplazando, se obtiene la carga total por peso de los paneles:
CT 1=7,55 x 12,35∗15,73∗g(N )
CT 1=14388,4 N
En segundo lugar, se considera la carga debido al peso de los evaporadores:
CT 2=117∗g(N )
CT 2=1170 N Finalmente, se calcula la carga debido al peso de las vigas. Para esto, se calcula primero la longitud en metros del número de vigas aproximada que se emplearán en la instalación.
Medida en el plano 3 vigas de 12 metros 5 vigas de 7,2 metros Total Masa / metro Carga total
Carga total de las vigas Equivalente en longitud comercial 6 vigas de 6 metros 6 vigas de 6 metros 12 vigas de 6 metros 16,98 kg / metro 11,993 kN
Verificación por deflexión Se verificó que la deflexión sea menor que lo indicado por la norma analizando una carga total como carga distribuida a lo largo de 4 vigas apoyadas en 4 columnas. Se considera como caso crítica aquel esquema donde se cuelgan los evaporadores. Cálculo de cargas en el esquema representativo Para la primera carga distribuida, se tiene:
35
3,6
Donde F1 es la resultante de la carga distribuida debido al peso de los paneles en esta área. Cada casilla posee un área de 3 x 3,6 = 10,8 m2 donde se colocarán los paneles. Estos paneles representan una carga de: 15,73 kg/m2 x 10,8 m2 = 169,884 kg*9,81m/s2 = 1666, 562 N Calculamos la carga distribuida para cada “cuadrante”
q 1=
1666,562 N =¿ 126,25 N/m 3∗2+3,6∗2
q1 ≈ 126,25 N/m
Para la segunda carga distribuida, se tiene:
Además, ya que la carga es de un evaporador que se emperna a un tubo galvanizado 50x50x3mm que a su vez está soldado en dos extremos a la respectiva viga (tal como se observa en la vista de planta) se puede considerar como cargas puntuales:
36
Como carga preliminar se considera para el evaporador 117 kg lo que equivale a 1170 N. por lo que F2=585 N. Para la tercera carga distribuida, considerando el perfil tipo tubo galvanizado 100 x 100 x 6 mm, de la empresa Aceros Arequipa, se calcula la masa aproximada del peso a soportar.
3,6
Se considera que cada viga pesa 16,98 kg / metro, por ello, las 4 columnas soportan: Peso de vigas q2 = 16,98 kg/m = 166,57 N/m Hallamos γeq = γ1 + γp + y2 Donde, y1= Deformación por primera carga equivalente (mm) yp= Deformación debido a segunda carga (puntual) en mm. y2= Deformación debido a la tercera carga equivalente. Resolviendo: y1: Situación equivalente: 37
y 1=
−5∗q 1∗L 4 384∗E∗I
Donde, E= 2,1*105 MPa El momento de inercia para el perfil es: 4
I=
4
100 −88 =3335872 mm4 12
Se obtiene: y1=0,394 mm yp: Situación equivalente:
F2 )∗L3 2 yp= 48∗E∗I −(
Donde, E= 2,1*105 MPa El momento de inercia para el perfil es:
I=
100 4−884 =3335872 mm4 12
Se obtiene: yp=0,4689 mm y2: Situación equivalente:
38
y 2=
−5∗q 1∗L 4 384∗E∗I
Donde, E= 2,1*105 MPa El momento de inercia para el perfil es: 4
I=
4
100 −88 =3335872 mm4 12
Se obtiene: y2=0,52 mm Sumando las deformaciones, se obtiene un total de: Yeq = 0,394 + 0,4689 + 0,52 = 1,3829 mm
Verificación por pandeo Pero ahora se procederá a analizar la falla por pandeo en las columnas, debido a que son elementos de una longitud relativamente grande. Para su análisis se usará el Método de Europeo. Este método tiene tres rangos de falla:
El material a usar es el ASTM A 36 galvanizado, el cual cuenta con las siguientes propiedades mecánicas: Material σ fluencia (N/mm2) σ tracción (N/mm2) E (N/mm2)
ASTM A36 240 410 210000
La longitud de la columna a analizar es de 3 m y se está considerando que en la parte inferior esta empotrada mientras que en la superior está articulada con lo cual se tiene un factor para la longitud efectiva la cual es igual a 1. Por lo cual la longitud efectiva es 3 m. De acuerdo a la distribución de fuerzas uniforme en nuestra estructura podemos 39
determinar que la fuerza de compresión sobre las columnas es de 73,4 kg lo cual equivale a una fuerza de 720 N, esta carga admite tanto las fuerzas dadas por los paneles, como el peso propio de los tubos y evaporadores. Luego el elemento estructural a usar es el tubo cuadrado de 150 x 150 x 6 mm, la cual tendrá las siguientes propiedades. I (mm4) 11964672
E (N/mm2) 210000
A (mm2) 3456
λ 54,04
El esfuerzo de compresión calculado es:
σ=
F 720 N = =0,21 A 3456 mm 2
El esfuerzo admisible es de acuerdo con el rango de esbeltez igual al valor de esfuerzo de fluencia.
σ adm=σ fluencia =240
N mm 2
Por lo cual podemos ver que el esfuerzo a la cual está sometido las columnas no es mayor que el esfuerzo fluencia. Por lo cual no falla por pandeo.
2.3.2. Efecto de la temperatura Se calculó la deformación debido a una reducción de temperatura de 25°C, obteniéndose una deformación en la unión viga columna de las esquinas y esta deformación generó una deflexión en la columna por lo que se calculó esa fuerza. Deformación por enfriamiento del acero:
γ =α∗∇ T∗L Donde:
γ ∇T
= contracción térmica en mm. = variación de temperatura en °C
L = longitud de la barra
α
= coeficiente de dilatación térmica (1/°C)
Reemplazando los datos, −6
γ =12∗10 ∗25∗3600=1,08 mm Además, para esta deformación térmica la transfiero a las columnas soporte y se puede calcular la fuerza “P” que flecta en un extremo la columna.
40
Donde se considera:
γ=
−P∗L3 3∗E∗I
Reemplazando, se obtiene: P=
84 N
Adicionalmente, se recopiló información acerca del comportamiento del acero a bajas temperaturas y se llegó a la conclusión de que el valor de su esfuerzo de fluencia aumenta conforme la temperatura de trabajo baja. Sin embargo, el material se vuelve más frágil por lo que se considera que al aumentar su resistencia, es suficiente para que la estructura resista. 2.3.3. Lista de componentes Correas Se colocó correas que servirán para rigidizar la pared de poliuretano evitando su deflexión lateral y serán empernadas a la estructura principal. A su vez, los paneles tipo sándwich se empernarán a estas correas. Pernos Se emplearon pernos de 1/2”-13 (13 indica el número de pasos por pulgada) con un revestimiento para una ultra resistencia a la corrosión de grado 8 de largo 5 ½” con longitud roscada de 1/2”. El paquete de 5 pernos tiene un costo de 14,51 dólares. Además, se emplearon arandelas (donde el paquete de 25 cuesta 7,6 dólares) y tuercas para el respectivo perno según norma. Anclajes Se realizará el anclaje de cada columna de la estructura con 4 pernos de acero galvanizado con gancho tipo J de diámetro ½”-13 , longitud de 8” y longitud roscada de 2 1/2” . Su precio unitario es 5,6 dólares. Se escogió arandelas galvanizadas para pernos ½” con ancho de 0.14”. El costo de paquete de 50 arandelas es de 7,42 41
dólares. Se escogió tuercas de ½”-13 con ultra revestimiento para protección anticorrosiva. Su precio es de 8,05 dólares el paquete de 25 tuercas. Adicionalmente, la base de concreto para las columnas serán de dimensiones 800x800mm. 2.4. Cálculos energéticos Se empleó el mismo procedimiento para el diseño de la cámara anterior por lo que se colocarán resultados: Dimensiones de la cámara Largo Ancho Alto
12,35 m 7,55 m 3 m
Áreas superficiales de las paredes S1 37,05 m2 PARED 2 S2 22,65 m PARED 2 S3 22,65 m PARED 2 S4 37,05 m PARED S5 93,2425 m2 TECHO 2 S6 93,2425 m SUELO Cálculo del espesor de asilante: 1 Cálculo del espesor del aislante Qr
6,98 W
S text tint K Para el poliuretano k e
1 m^2 25 -18 °C 0,16 kg/(s3*K)
ecomercial
0,028 0,17 172,49 180
W/m2*K m mm mm
(recomendación por Melgarejo para cámaras de refrigeración) (área asumida) (caso crítico)
(espesor comercial)
Pérdidas por cambio de aire 2
cambio de aire
n° puertas 2 Volumen de la cámara 279,73 N1 densidad aire
8 1,309 kg/m3 42
Text (°C) Tint (°C) ∆h ∆h Q2
25 -18 14,90 62,37 365420,341 9,23
10,92 50% de HR -3,97 90% de HR kcal/kg kJ/kg kJ kW
Pérdidas por ventiladores: 3
calor ventiladores VOL 279,7275 CDV 418,7 Q3 117121,904 2,958
aproximación m3 kJ/m3 kJ kW
Pérdidas por servicios: 6 servicios 15% de transmision y enfriamiento Q6 Cantidad total para un funcionamiento de 11 horas. total Qtotal n°evap Qunit Qperdidas
0,983
20,2 kW 2 10,12 kW 2,26 kW
2.5. Selección de equipos Se realizó la selección de equipos en base a las cargas térmicas previamente calculadas. En primer lugar se escogió un número de evaporadores según la distribución de los estantes y cajas de cartón plastificado al interior. Para esta cámara, se decidió asignar 2 evaporadores de igual carga de tal manera que cada evaporador enfríe directamente la mitad de la carga térmica. Según los cálculos de carga térmica se obtuvo en total 20,24 kW de potencia frigorífica requerida para la instalación. Esto equivale a un suministro por cada evaporador de 10,12 kW. En segundo lugar, se recurre al catálogo de evaporadores Alfa Laval. Se escogió el modelo THOR. Para el almacenamiento de filete congelado a -18°C, se considera un espaciamiento de los deflectores del ventilador de 8 mm. En base a esos 10,12 kW previamente estimado se escogen 2 evaporadores cuya potencia sea la más cercana a la requerida. Para esto, siguiendo el ejemplo de cálculo del catálogo, encontramos los coeficientes para hallar carga equivalente según el tipo de refrigerante y la temperatura de evaporación del sistema. En tercer lugar, encontramos el factor previamente mencionado para determinar la potencia real del equipo. Cabe mencionar que según los cálculos previamente 43
realizados, se encontró un valor de la temperatura del aire necesaria de -25°C para enfriar el producto. Según las tablas, para un salto térmico de 6 K, se obtiene una temperatura de evaporación (Te) de -31°C, para un salto térmico de 8 K, se obtiene una Te de -33°C y de la misma manera, para 10 K se obtiene -35°C. Empleando la Te respectiva y el refrigerante seleccionado, en este caso R404A, se encuentra que para Te = -31°C, f=1,69, Te=-33°C, f=1,272; y para Te=-35°C, f=1,032. Utilizando estos factores, dividimos la potencia nominal de los equipos seleccionados entre este factor para encontrar la potencia frigorífica real de cada uno. Finalmente, se elaboró una tabla con los resultados de Potencia frigorífica (kW) vs. Temperatura de Evaporación (Te) para los evaporadores. En cuarto lugar, se empleó el programa Bitzer para seleccionar unidades condensadoras. Para la selección de la unidad condensadora se definió los siguientes parámetros: Serie:
estándar
Refrigerante:
R404a
Potencia frigorífica:
20,24 KW
Temperatura de evaporación:
-31°C
Temperatura de ambiente:
25°C
Recalentamiento del gas aspirado: 10°K Asumimos un recalentamiento útil del 100% Modo de funcionamiento automático Frecuencia de red de 60 Hz Tensión de alimentación de 380 V Una vez ingresado estos datos al programa de Bitzer nos proporciona 04 alternativas de compresores que pueden ser utilizados en nuestro sistema. Para cada una de estas unidades condensadoras se tomarán valores de 4 potencias frigoríficas a 4 temperaturas de evaporación distintas. De esta manera se podrá realizar el cruce de gráficas con las gráficas de los evaporadores y encontrar el punto de equilibrio para el funcionamiento de ambos equipos para el sistema. Finalmente se obtiene que empleando la unidad condensadora del modelo LH135/4HE-18Y-40P y el evaporador THOR 136-8. Del cruce de curvas se obtiene que el sistema operará con una potencia frigorífica de 20,5 kW y una temperatura de evaporación de -30,5°C
Evaporador 1 Potencia nominal t aire nevap
evaporador 2 Potencia 11,9 nominal -25 t aire 2 nevap
evaporador 3 Potencia 15 nominal -25 t aire 2 nevap
evap 4 18,3 -25 2
22,1 -25 2 44
tevap
potencia
tevap
potencia
tevap
potencia
-31
14,0828402
-31
17,7514793
-31
-33
18,7106918
-33
23,5849057
-33
-35
23,0620155
-35
29,0697674
-35
potencia 26,153846 21,6568047 2 34,748427 28,7735849 7 42,829457 35,4651163 4
compresor 1 compresor 2 compresor 3 compresor 4 tevap potencia tevap potencia tevap potencia tevap potencia -28 22,5 -28 23 -28 26 -28 27,4 -30 20,4 -30 20,9 -30 23,8 -30 25 -32 18,5 -32 19 -32 21,7 -32 22,8 -34 16,66 -34 17,6 -34 19,69 -34 20,6
-28 18 18.5 19 19.5 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24 24.5 25 25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 30 -29
Tevap
-30 -31 -32 -33 -34 -35
Potencia frig.
2.6. Accesorios para cámaras frigoríficas Protección contra impactos Se utiliza zócalos protectores de polietileno de 3 metros de largo máximo con una altura de 300 mm, espeGsor de protección de 20 mm y base de anclaje de 40 mm. Estos zócalos se fijan al suelo mediante un taco largo apoyado sobre el suelo y este a su vez se sujeta con tornillos M8x60. Adicionalmente, el zócalo se fija a la pared mediante tornillo 4.8x25. 2.7. Selección de puertas Se escogió un ancho de luz de la puerta de 1,5 metros para que una parihuela pueda entrar sobre la Stocka sin dificultades. Se escogió una puerta corredera para que de 45
tal manera ocupe un menor espacio para su apertura. Las dimensiones de la puerta se emplearon según catálogo de la empresa INFRACA y se escogió el modelo IF ya que es el más sencillo. Para esta cámara se emplearán 2 puertas del mismo modelo de espesor de hoja de 180 mm y dimensiones a la altura del corredor central. 2.8. Sistema de tuberías Se realizó una vista isométrica de las instalaciones para indicar las conexiones y accesorios. Empleando los puntos hallados del ciclo termodinámico, se clasifican las líneas del sistema en: -
Línea líquida del (5) al (6). Línea de aspiración del (6) al (1’). Línea de descarga del (1’) al (2).
Aislamiento Antes de aislar cualquier sistema de tuberías se debe de tener en cuenta que la superficie de la tubería debe de estar seca y limpia. Corrosión Para evitar la corrosión en la superficie externa de las tuberías de cobre, se debe sellar todas las uniones entre aislantes para prevenir la condensación entre el cobre y el aislante. Diámetro de las tuberías En resumen, se obtienen los siguientes valores para las tuberías: Tipo de línea Línea líquida Línea de aspiración
Descripción de carga Carga total Cuarta parte de la carga total Carga total Cuarta parte de la carga total
Diámetro ᴓ25 (NPS 1) ᴓ15 (NPS 1/2) ᴓ25 (NPS 2) ᴓ15 (NPS 1)
Línea de descarga
ᴓ20 (NPS 3/4)
El procedimiento de cálculo se muestra a continuación: Criterio de velocidades En primer lugar se empleó el criterio de las velocidades máximas para encontrar los valores de diámetro máximo según el estado del fluido que transporta y la posición de la línea ya se horizontal o vertical. Se emplearon los siguientes datos:
D=4xm/pi/v/p Flujo másico (kg/s) Ρ (kg/m^3) A: vmin gas Horizontal (m/s) B: vmin gas
1
2
3
4
5
6
0,326 21,0
0,326 20,9
0,326 86,4
0,326 108,0
0,326 987,0
0,326 29,6
2,5 5,0
2,5 5,0
2,5 5,0
2,5 5,0
2,5 5,0
2,5 5,0 46
Vertical (m/s) C: vmax gas (m/s) D: vmax liquido (m/s)
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
89 63 36 100
44 31 18 49
39 28 16 44
13 9 5 15
75 53 31 84
Obteniendo los siguientes resultados: Diámetro A (mm) Diámetro B (mm) Diámetro C (mm) Diámetro D (mm)
89 63 36 99
Criterio de pérdidas de presión Se calculó el diámetro de las tuberías empleando el programa “Dircalc” del fabricante “Danfoss”. En primer lugar, para la línea líquida, se considera una velocidad de diseño de 1 m/s por recomendación del libr o “Ingeniería del Frío: Teoría y práctica” de Tereza Sánchez. Para este caso se considera la línea de uno de los cuatro evaporadores.
Línea líquida
Ingresando los datos del sistema al programa:
Se observa que para la velocidad recomendada, proporciona un diámetro de valor de diseño 10,7mm. 47
Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 15mm (NPS ½). Adicionalmente, se debe considerar para la misma línea, aquella que transporta la cantidad total de refrigerante que utilizan los 4 evaporadores.
Se observa que, para la velocidad recomendada, se brinda un diámetro de valor de diseño de 20,8mm. Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 25mm (NPS 1). En segundo lugar, para la línea de aspiración, se considera una velocidad de diseño de 12 m/s por recomendación del libro “Ingeniería del Frío: Teoría y práctica” de Tereza Sánchez.
Línea de aspiración
Ingresando los datos del sistema al programa:
Se observa que para la velocidad recomendada, proporciona un diámetro de valor de diseño 41,4mm. Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 50mm (NPS 2). 48
Adicionalmente, se debe considerar para la misma línea, aquella que transporta la cuarta parte de la cantidad total de refrigerante en estado vapor que utiliza un evaporador.
Se observa que, para la velocidad recomendada, se brinda un diámetro de valor de diseño de 21,3mm. Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 25mm (NPS 1). En tercer lugar, para la línea de descarga, se considera una velocidad de diseño de 15 m/s por recomendación del libro “Ingeniería del Frío: Teoría y práctica” de Tereza Sánchez.
Línea de descarga
Ingresando los datos del sistema al programa:
Se observa que para la velocidad recomendada, proporciona un diámetro de valor de diseño 18,8mm. 49
Según la norma DIN 2448, se emplea un diámetro nominal de 20mm (NPS 3/4).
50
