PROYECTO TERMODINAMICA 2

IPN-ESIME AZCAPOTZALCO DISEÑO DE ENFRIADOR INSTANTANEO A BASE DE HIELO SECO

IPN ESIME AZCAPOTZALCO ENFRIADOR INSTANTANEO A BASE DE HIELO SECO

Tema del proyecto.

Enfriador instantáneo a base de hielo seco. I.

Objetivo general.

Desarrollar diseñar y producir un dispositivo termodinámico con previos antecedentes y un planteamiento de un problema, con el fin de complementar los aprendizajes obtenidos en la materia de TERMD!"#M!$# !! II.

Antecedentes.

E%isten medios de refri&eraci'n actuales, pero se realiza una transferencia de calor (ue re(uiere un tiempo de transfusi'n, e%isten dentro de la industria alimenticia refri&eradores de &ran capacidad y (ue tienen buenos ran&os de temperatura (ue sobrepasan las temperaturas de con&elamiento y se pueden usar cotidianamente. III.

Planteamiento del problema.

)sando el antecedente, e%isten lu&ares dentro de la rep*blica me%icana o distintos lu&ares en el mundo, donde se re(uieren enfriar bebidas o l+(uidos en un tiempo espec+fico y lle&a a presentarse el inconveniente de (ue los aparatos de enfriamiento sufren inestabilidades o el tiempo de enfriamiento es muy prolon&ado. #ne%ando (ue e%isten lu&ares donde los sistemas de refri&eraci'n dadas las condiciones de lejan+a, no se cuenta con suministros de ener&+a elctrica, por lo (ue no se puede tener en funcionamiento nin&uno de estos aparatos. IV.

Propuestas al planteamiento del problema.

Dentro del ambiente industrial y econ'mico sur&en soluciones (ue pueden aplicarse, pero, una vez aplicado en la verdadero entorno del problema, nos encontraremos con el inconveniente de (ue no e%isten los suficientes recursos econ'micos para electrificar una zona en especial, ni tampoco e%isten los medios suficientes para (ue en las zonas lejanas se pueda comprar un aparato (ue realice el enfriamiento y mucho menos el aparato (ue &enere la electricidad. $on esto sur&e una serie de cuestionamientos e inte&rando en un conjunto, se propone la soluci'n si&uiente. Diseñar y proponer ante las necesidades &enerales de una sociedad en crecimiento, se ha pensado en inte&rar un sistema (ue pueda realizar un enfriamiento de una bebida, a base de un enfriamiento e%terno, tal cual como sucede con los refri&eradores comunes, con la e%cepci'n de (ue tal vez no se pueda enfriar cual(uier sustancia, procediendo a investi&ar materiales de fabricaci'n, sur&e un nuevo problema. Dentro del mercado nacional e%isten dos productos principales, (ue pueden ser usados para esta actividad, pero por las zonas donde puede ser operado suele ser peli&roso y ocasionar daños a la salud de la persona (ue realiza el uso del sistema. -os dos productos son . "itr'&eno li(uido -a tcnica usada se denomina cryo&al, (ue consta en obtener temperaturas de con&elamiento usando el calor de evaporaci'n de nitr'&eno l+(uido donde su punto de ebullici'n se alcanza a los /012c, por

IPN ESIME AZCAPOTZALCO ENFRIADOR INSTANTANEO A BASE DE HIELO SECO lo (ue el suministro de frio es muy rápido debido a la &ran diferencia de temperatura (ue e%iste entre el nitr'&eno l+(uido y el producto a enfriar. 3ara su uso se emplea un recipiente de almacenamiento de nitr'&eno l+(uido aislado donde se induce el vac+o y se introduce en el cilindro a presi'n controlada, se a&re&a (ue el nitr'&eno l+(uido se evapora de 4.5 bars 64.1047 atm8 a .97 bars 6.974: atm8 El sistema puede ser usado para realizar el enfriamiento a una presi'n controlada y en un ambiente especial cerrado, pero dada la temperatura de ebullici'n, si sucede un derrame o al&*n mal manejo del medio de enfriamiento, puede ocasionar (uemaduras por vapor frio. -os costos de compra de nitr'&eno l+(uido ascienden a ;444 < y :444< pesos me%icanos sin contar el costo del termo donde se realiza el traslado. #ne%ando (ue la vida *til del nitr'&eno hasta su total evaporaci'n se realiza dependiendo de la atmosfera de operaci'n, por lo (ue a una atmosfera de presi'n y una condici'n de ;=2 c un metro cubico de nitr'&eno l+(uido se disipa entre ;9 y :4 horas por lo (ue ser+a *til durante un corto lapso de tiempo, por lo tanto las investi&aciones arrojan (ue el elemento nitr'&eno l+(uido es aceptable para realizar la tarea, pero la contraparte de los beneficios nos retractan a tomarlo por los altos costos de consumo y por la se&uridad de la &ente (ue usara el sistema. ;. >ielo seco 6bi'%ido de carbono solido8 Es una elemento (ue es usado para realizar el enfriamiento a temperatura ambiente de diversos productos, un ejemplo es (ue al&unos comercios usan hielo seco para complementar los refri&eradores comerciales, por lo (ue se obtienen temperaturas de con&elaci'n (ue son aptas para tener en buenas condiciones los alimentos o bebidas (ue se están comercializando. -as investi&aciones realizadas arrojan (ue el hielo seco es similarmente peli&roso al nitr'&eno l+(uido, pero contraindicatoriamente en este caso, el hielo seco tiene una temperatura de ebullici'n menor ?e ane%a la si&uiente tabla donde se presentan las propiedades del hielo seco

1) Tabla 1 Propiedades físicas y químicas del hielo seco


De la tabla anterior, desprendemos en particular estas (ue nos serán *tiles en el análisis y diseño del prototipo para realizar el enfriamiento

;8 Tabla .; Propiedades fundamentales aplicadas al proyecto ?u temperatura de ebullici'n a  atm de /57.=2c permite realizar la operaci'n de una manera más controlada y respectivamente de una manera más barata, ya (ue en este producto no e%isten tantos ries&os como en el manejo del nitr'&eno l+(uido, sin embar&o es necesario ane%ar, (ue el hielo seco tambin puede causar (uemaduras y el &as desprendido como producto de la evaporaci'n es asfi%iante. 3or lo (ue su uso debe ser limitado a espacios abiertos a la atmosfera o con ventilaci'n propia. Transportaci'n. -a transportaci'n del elemento hielo seco, se realiza en i&ual ambiente controlado (ue el nitr'&eno l+(uido, pero en este caso no se re(uerirá de un termo al vac+o o de un tan(ue de almacenamiento refri&erado, solo se re(uerirá un contenedor de poli estireno e%pandido o mejor conocido como )"!$E-. #demás de (ue se debe transportar en un ambiente donde el aire (ue se evapora del hielo seco no ten&a contacto con nin&una persona. 3or lo (ue no se re(uiere tanto personal ni presupuesto (ue con el nitr'&eno l+(uido. 3recio y e%tras. El costo de un blo(ue de hielo seco o en pellets 6capsulas8 o bottoms 6mentas8 ronda entre los :4 y 14 pesos me%icanos dependiendo del distribuidor. $onocido este elemento, nuestras investi&aciones toman al hielo seco como un elemento (ue puede realizar el trabajo de enfriamiento de una bebida, por lo (ue es ele&ido como el principal fluido de trabajo para este diseño.


V.

Diseño del prototipo.

El diseño de este prototipo se realizara en base a los (ue son usados de forma industrial o de forma ilustrativa, de modo (ue al&unos de los materiales, por motivos de presupuestos personales son intercambiados por otros de distinto material o especificaci'n, pero darán a entender el mismo funcionamiento. #l final en la presentaci'n del prototipo se mencionaran los dispositivos cambiados, por su e(uivalente o en su caso por un alto costo (ue afecta en la compra de otros dispositivos del prototipo. NOTA: Recordemos que el proyecto se propuso originalmente para un sector o una población de bajos recursos que requieren el servicio del prototipo, en el caso de la industria, solo serían adecuaciones en materiales al prototipo que no afectarían su función .

)na vez realizado el boceto de nuestro dispositivo, se efectuaron investi&aciones, costeando cada uno de las partes (ue componen el trabajo. 3or lo (ue se deducen los si&uientes precios 3RE$!? DE M#TER!#-E? @)E $M3"E" E?TE E@)!3. "ombre del elemento $osto #pro%imado 63esos me%icanos8 $ilindro de acero ino%idable <=44 Tuber+as y accesorios de #cero !no%. <944 Madera #islante 6 fibracel8 <=4 Madera para soporte <74 Aálvula de paso <14 >ielo seco 6;B& apro%.8 <74 TT#< ;54 :8 Tabla 1.3 Precios de materiales para la abricaci!n del dispositivo $?T DE E"?#MC-E.  D!?E EFTER!R #plicaci'n $osto Estimado 6pesos me%icanos8 ?oldaduras de cilindro y tuber+as. < =44 3intado de superficies < :44 #ccesorios 6Tornillos, Tuercas, Cisa&ras etc.8 < =4 Mano de obra 63recio por D+a de trabajo8 <74 3or periodo de = d+asG H< ;544 tros $onsumos 6#ccesorios de trabajo, tarifa IJ/ < 9=4 elctrica, lo&+stica,8 TT#< 9444 98 Tabla 1." Precios de producci!n y ensamble para la abricaci!n del dispositivo El precio estimado, asciende a < =;54 6MF"8, Desafortunadamente, no se cuentan con los recursos, para ensamblar un prototipo de este precio, por lo (ue se ha analizado realizar cambios, sin alterar el funcionamiento principal del prototipo. 3or obvias razones, los elementos (ue no se pueden modificar son />ielo ?eco /Material #islante 6?olo se puede cambiar por una Kunda trmica8 /Tuber+as L válvulas de conducci'n


3ara reducir a*n más los &astos, se efectuaran sustituciones, es decir usaremos elementos similares (ue lo&ren reducir el costo, pero (ue no afecten el sistema principal. 3or ejemplo, el cilindro de #cero ino%idable tiene un costo de apro%imadamente <=44 m%n, incluyendo la manufactura del mismo, En este caso es viable buscar un sustituto. En base a (ue no daña en nada al funcionamiento del sistema, se realiz' un cambio. Cuscando no alterar el diseño e%terior, se encontr' (ue la mejor opci'n para realizar este cambio, es sustituir, el cilindro de acero ino%idable por una -ata de leche en polvo. De semejantes dimensiones, y el mismo diseño, con esto se revierte en &ran cantidad, el presupuesto ori&inal, ya (ue se suprimen las soldaduras de juntaG

Elemento ri&inal

Elemento ?ustituto

Costo $500 mxn RED"CCION DE COSTO $ #0 M%N

Costo Aprox $!0

3ara el se&undo caso, en los materiales aislantes se tienen problemas, ya (ue como se menciono en el principio el material principal de trabajo es hielo seco, cuya temperatura es altamente con&elante, y de la ficha tcnica se encuentra (ue es incompatible con el acero, el material del cilindro, a causa de esto se pens' en usar paneles de fibracel, su costo no es elevado, pero no se conoce el efecto del frio del hielo seco sobre los paneles de fibracel, podr+a realizar a&rietamientos por contracci'n trmica. $onsecutivamente, se considero usar )"!$E-, ya (ue de este material se fabrican los contenedores de hielo seco, es viable y a precio accesible, el *nico inconveniente es (ue se necesita moldear el unicel y esto conlleva a romper el material al doblarlo. E%iste un material, el cual tiene propiedades aislantes, este es el foami. )n pol+mero, en forma de plancha (ue se puede doblar sin fracturar. 3or este motivo se decide (ue es un buen elemento a bajo costo (ue puede usarse perfectamente.


Elemento ori&inal

Costo M&'(r& )on*+om(r&'& $ !0 mxn ,./m / Costo "n1)(+ $ !0- 50 mxn ,./m /

Elemento sustituto

Costo &prox $ /0 mxn ,/0m /

En el tercer caso de tuber+as, para el caso de bebidas de consumo humano el material debe ser acero ino%idable, ya (ue no permitirá al adhesi'n, ni la corrosi'n. 3ero dado el caso de uso industrial, ?e puede efectuar un cambio de los tubos y llaves de acero ino%idable, a tuber+as de cobre lo cual reduce en &ran cantidad el costo de fabricaci'n. L no se afecta el funcionamiento principal Elementos ori&inales

Elemento sustituto


VI.

#A$#%$O D& T%'&(IA.

Dadas los cambios anteriores, se debe buscar una tuber+a (ue sea adecuada al sistema, es decir, (ue permita (ue el hielo seco realice su funci'n, y (ue simultáneamente permita el drenado del mismo, entonces se procede a la literatura. ec!nica de fluidos "ta edición# ott Robert# $apítulo "# %&l flujo de los fluidos#  De ah+ calculamos el caudal de una tuber+a de cobre tipo N com*n para a&ua, )sando esta ecuaci'nO Q= A∗v

D'ndeO @HKlujo de la tuber+a #HKlujo de área de la tuber+a AH Aelocidad promedio de drenado del fluido El calculo de la velocidad se obtiene de la ecuacion. v =d / t

Donde vG es velocidad en 6mJs8 G dO distancia en 6m8 G tH tiempo en 6se&8 Realizando el calculo para una tuberia de PQ con una lon&uitud de :4 cm. ?e hace la medicion del tiempo (ue toma en bajar el fluido en la lon&uitud anterior. L se obtiene .9 se& v =¿

.:m J .9 se&. H 4.5= mJs

3ara el calculo del flujoG del libro mecanica de fluidos en la seccion apendice , buscamos tuberia de cobre tipo N y su valor de area de flujo es G .945E /9G 3or lo tanto sustituimos estos valores. En @H #Sv Q=1.407 E

1000 <

−4

2

m × 0.75

¿ 1m

3

=0.105

m Q=1.05525 E s −4

m s

litros segundo

3

−4

∴=1.05525 E

¿


A!!.

Diseño ) &nsamble.

A!!!.

Diagramas.

a. Dia&rama de funcionamiento del dispositivo.

In*r(so '(+ 231'o &+ s1st(m& '( r(4r1*(r&)1n ,Con T(6 &+ norm&+

R(4r1*(r&'o m('1&nt( tr&ns4(r(n)1& '( )&+or

L19(r&r (+ 231'o &9r1(n'o :;+:3+& '( s&+1'&

L+(n&'o '( )ont(n('or '( 71(+o s()o ,m&n3&+m(nt(

T/8T( S1

S( r(&+1< )orr()t&m(nt(

D(p3r&r (+ 71(+o s()o &+ &m91(nt( (xt(1or

R(1n*r(so '(+ 231'o &+ s1st(m&

FIN D(+

No


!F.

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