TRABAJO DE:
REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL
INTEGRANTES:
PAOLO ANDRES CUELLO PEÑALOZA JESÚS ALBERTO FONTALVO GOMEZ HOOVER VALENCIA ZAPATA
PRESENTADO A:
GIOVANNY BARLETTA
VIII SEMESTRE INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO
2012
Tabla de Contenido
Pagina
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
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Cálculo de cargas térmicas Selección de los compresores por cuarto Selección de las unidades evaporadoras por cuarto Selección de tuberías para las líneas de succión y descarga Selección de la válvula de expansión Selección de las válvulas solenoides Selección de los filtros deshidratadores de la línea de líquido Selección de las mirillas indicadoras de nivel de líquido Selección del acumulador de succión (Opcional) Selección de la válvula de bola Selección de los separadores de aceite Referencias
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TRABAJO FINAL DE REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS Y SELECCIÓN DE EQUIPOS
Se desean seleccionar los siguientes equipos para los cuartos mostrados en la ilustración P:
Compresor Unidad evaporadora Válvula de expansión Filtro de la línea de líquido Válvula solenoide Mirilla indicadora de nivel de líquido Válvula de bola Separador de aceite Acumulador de succión (opcional)
Adicionalmente deberán seleccionarse los diámetros y longitudes de las líneas de succión, líquido y descarga, así como también se debe calcular la carga térmica total a retirar del sistema completo. DATOS Las paredes están aisladas en poliuretano de 4 pulgadas y forradas en lamina galvanizada de calibre 24 (solo se considera el poliuretano en los cálculos). Considere temperaturas exteriores en la bodega de 95°F y 85% de humedad relativa donde están ubicadas las cámaras. La altura de la cámara interiormente es de 3.20 metros. Considere una puerta de las mismas especificaciones que los paneles. La puerta de acceso del cuarto colinda con un cuarto de proceso acondicionada para minimizar las ganancias de calor a las cámaras y considere aire acondicionado de confort (75°F y 55% HR). La temperatura de los productos a refrigerar se considera 10°C mayor a la temperatura de cámara al entrar a esta. Se considera que las cámaras reciben 1600 Libras de producto combinado en cada una. Una persona ingresa dos veces por día a la cámara. Dos lámparas de 100W c/u iluminan el recinto. Los motores de los evaporadores se estiman en 4 x ½ HP c/u. Los cuartos se leen de 1 a 5 de izquierda a derecha (abajo a arriba en la posición de la imagen), el primer cuarto contiene pescados y mariscos, el segundo cuarto contiene carne y aves, el tercero contiene productos varios (misceláneos, se considera la masa de panes ya que es lo que proporciona el programa Calc Rite), los productos en estos cuartos se quieren enfriar hasta -18°C. El cuarto 4 contiene frutas y verduras (las propiedades se toman en base a algunas frutas y a verduras varias) y se quiere enfriar hasta 5 – 6°C, el cuarto 5 contiene lácteos y se quiere enfriar de 0 – 4°C, ambos cuartos tienen 75% HR.
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Ilustración P. Cuartos a refrigerar, las unidades de las dimensiones mostradas son metros. Consultar los pantallazos para el cálculo de cargas de los productos acerca de los datos de temperaturas manejadas.
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1. Cálculo de cargas térmicas Con la ayuda del software Calc Rite de KeePrite, se logró realizar de forma practica cada uno de los cálculos que involucran las diversas cargas térmicas en cada cuarto de refrigeración que se presentó como ejercicio en el examen parcial planteado, estas cargas se manifiestan por paredes, por producto (alimentos y demás) y por accesorios como lo son los motores de los evaporadores y la iluminación, y en las infiltraciones relacionadas con las cantidades de aire que atraviesan las puertas debido al ingreso de las personas a los cuartos de refrigeración principalmente. A continuación se presentan cada una de las capturas tomadas para los cálculos realizados con ayuda del programa utilizado. En total son 5 cuartos los cuales cada uno posee las dimensiones descritas en el problema necesarias para realizar los respectivos cálculos, los datos obtenidos son los siguientes:
Cuarto 1
Ilustración 1. Cargas debido a trabajo
Ilustración 2. Cargas debido a paredes
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Ilustración 3. Carga debido a la infiltración
Ilustración 4. Carga debido al producto
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Ilustración 5. Carga debido a misceláneo
Cuarto 2
Ilustración 6. Carga horaria del cuarto
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Ilustración 7. Cargas por pared
Ilustración 8. Cargas por infiltración
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Ilustración 9. Cargas por producto
Ilustración 10. Cargas por misceláneos
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Cuarto 3
Ilustración 11. Carga horaria del cuarto
Ilustración 12. Carga por paredes
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Ilustración 13. Cargas por infiltración
Ilustración 14. Cargas por producto
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Ilustración 15. Cargas por misceláneos
Cuarto 4
Ilustración 16. Carga horaria del cuarto
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Ilustración 17. Carga por paredes
Ilustración 18. Carga por producto
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Ilustración 19. Carga por infiltración
Ilustración 20. Carga por misceláneos.
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Cuarto 5
Ilustración 20. Carga horaria del cuarto
Ilustración 21. Carga por paredes
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Ilustración 22. Carga por infiltración
Ilustración 23. Carga por producto
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Ilustración 24. Carga por misceláneos
A continuación se muestra la sumatoria de cargas térmicas totales, es decir, cada carga térmica correspondiente a cada uno de los cuartos que intervienen en el proceso, estos valores que se encuentran en la suma total de los valores obtenidos para las diversas cargas en cada cuarto, utilizados principalmente para la selección del compresor del sistema; los valores son los mostrados a continuación:
Cargas térmicas totales por cuarto
Cuarto 1: 50,157 BTU/hr
Cuarto 2: 46,812 BTU/hr
Cuarto 3: 46,058 BTU/hr
Cuarto 4: 26,906 BTU/hr
Cuarto 5: 31,663 BTU/hr Remplazando en la ecuación (1) se obtiene:
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2. Selección de los compresores por cuarto
Cuarto 1 Compresor modelo ZF48K4E-TWC Capacidad del evaporador: 52,500 BTU/hr Capacidad del compresor: 52,500 BTU/hr El resto de datos y parámetros se puede consultar en la ficha de desempeño adjuntada.
Cuarto 2 Compresor modelo 3DRHF46KE-TFC Capacidad del evaporador: 49,500 BTU/hr Capacidad del compresor: 49,800 BTU/hr El resto de datos y parámetros se puede consultar en la ficha de desempeño adjuntada.
Cuarto 3 Compresor modelo 3DRHF46KE-TFC Capacidad del evaporador: 49,500 BTU/hr Capacidad del compresor: 49,800 BTU/hr El resto de datos y parámetros se puede consultar en la ficha de desempeño adjuntada.
Cuarto 4 Compresor modelo ZS29KAE-TF5 Capacidad del evaporador: 29,300 BTU/hr Capacidad del compresor: 29,300 BTU/hr El resto de datos y parámetros se puede consultar en la ficha de desempeño adjuntada.
Cuarto 5 Compresor modelo ZS33KAE-TF5
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Capacidad del evaporador: 32,200 BTU/hr Capacidad del compresor: 32,200 BTU/hr El resto de datos y parámetros se puede consultar en la ficha de desempeño adjuntada.
3. Selección de las unidades evaporadoras por cuarto Las unidades evaporadoras se escogen de acuerdo a la carga térmica del cuarto correspondiente, la capacidad de esta tiene que ser igual o mayor a la carga correspondiente, las unidades se escogieron del catalogo BOHN para evaporadores, de los modelos BME/BML de descongelamiento eléctrico con frecuencia de 60 Hz:
Ilustración 25. Catalogo para la selección de evaporador
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Cuarto 1: BME 520 – 52,000 BTU/hr Cuarto 2: BME 520 – 52,000 BTU/hr Cuarto 3: BME 520 – 52,000 BTU/hr Cuarto 4: BME 310 – 31,000 BTU/hr Cuarto 5: BME 390 – 39,000 BTU/hr
4. Selección de tuberías para las líneas de succión y descarga de gas y para la línea líquida Las tuberías se escogen teniendo en cuenta principalmente las temperaturas de evaporación, condensación y la tasa de enfriamiento dada por el evaporador seleccionado
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del catalogo BOHN, las dimensiones de las tuberías de la línea de succión (suction), línea líquida (liquid) y la línea de descarga (discharge) se muestran en las siguientes imágenes tomadas del programa LineSize para el cálculo de tuberías:
Cuartos 1, 2 y 3
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Cuarto 4
Cuarto 5
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5. Selección de la válvula de expansión La válvula de expansión se escogerá de acuerdo a la capacidad del sistema, con respecto a la carga térmica sobre el evaporador, dicha válvula debe escogerse para una capacidad igual o menor a la calculada, para evitar un flujo excesivo de refrigerante líquido hacia el evaporador y una posible inundación. Suponiendo una caída de presión de 1 psi a través del orificio de la válvula se tendrá que la caída de presión a través de la válvula de expansión será:
Para el refrigerante 404A en los cuartos 1, 2 y 3 se tiene: P condensación = 309.9 psig P evaporación = 23 psig Remplazando en la ecuación (2)
Es el único refrigerante que tiene aplicaciones a todas las temperaturas. Super Heat de 20. Tomando el catalogo de Emerson Climate para válvulas de expansión tipo ton, se escoge una válvula TCLE de capacidad nominal de 3 toneladas, que a 200 psi de caída de presión (máxima caída presentada en el catalogo) y temperatura de evaporación de -20°F permite una capacidad de 3.02 toneladas de refrigeración, inferior a la calculada que es de 4.33 -1 toneladas (52000BTUh /12000).
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Ilustración 26. Catalogo de Válvula
[2]
En el cuarto 4 se tiene: P condensación = 309.9 psig P evaporación = 70.9 psig Utilizando la ecuación (2):
Para 2.583 toneladas de refrigeración a una caída de presión de 175 psig y temperatura de evaporación de 40°F se pueden seleccionar las válvulas de tipo AA/AN/AAC/ANC/AFA con capacidad nominal de 1-1/4 toneladas, la cual cuenta con una capacidad de 1.88 toneladas, menor a la calculada.
En el cuarto 5 se tiene: P condensación = 309.9 psig P evaporación = 58 psig
Para 3.25 toneladas de refrigeración a una caída de presión de 175 psi y a una temperatura de evaporación de 20°F se pueden seleccionar las válvulas de tipo
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AA/AN/AAC/ANC/AFA con capacidad nominal de 2-1/4 toneladas, que trabaja con 3.07 toneladas inferior a la requerida.
Ilustración 27. Selección de la válvula
[2]
6. Selección de las válvulas solenoides
Cuartos 1, 2 y 3
Consultando el catalogo Emerson Climate para válvulas solenoides, se encuentra que a una caída de presión de 100 psi (máxima diferencia de presión disponible) para una válvula de gas de descarga los modelos 200RB/200RD 4 son los adecuados para esta aplicación, ya que manejan 6.45 toneladas, un valor mayor al requerido. Para la válvula solenoide de la línea de líquido se asume una caída de presión de 2 psi o menor a través de la válvula considerando una temperatura de condensación de 120°Fpara la cual la válvula apropiada corresponde a los modelos 200RB/200RD 5, que manejan 4.33 toneladas, justo el valor requerido.
Cuarto 4
Para la línea de gas de descarga del compresor una válvula de los modelos 200RB/200RD 3 de 3.15 toneladas (100 psi) es mas que suficiente para la aplicación. Para la línea de líquido una válvula 200RB/200RD 4 de 4.18 toneladas (2 psi) es la apropiada para el sistema de la habitación.
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Cuarto 5
Para la línea de gas de descarga del compresor una válvula de los modelos 200RB/200RD 4 de 6.45 toneladas (100 psi) es mas que suficiente para la aplicación. Para la línea de líquido una válvula 200RB/200RD 4 de 4.18 toneladas (2 psi) es la apropiada para el sistema de la habitación.
Ilustración 28. Catalogo Válvula Solenoide
[3]
7. Selección de los filtros deshidratadores de la línea de líquido
Cuartos 1, 2 y 3
Para estos cuartos el filtro indicado es el EK 08 4, que puede manejar 4.9 toneladas, este filtro tiene conexiones entrada/salida de 1/2 SAE.
Cuarto 4
Para este cuarto el filtro indicado es el EK 08 3, que puede manejar 2.9 toneladas, este filtro tiene conexiones entrada/salida de 3/8 SAE.
Cuarto 5
Para este cuarto el filtro indicado es el modelo EK 08 3 S que maneja 3.3 toneladas de refrigeración, este filtro tiene conexiones entrada/salida 3/8 ODF.
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Ilustración 29. Catalogo Filtros deshidratadores
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8. Selección de las mirillas indicadoras de nivel de líquido El indicador apropiado para una línea de líquido dada será el que se ajuste al diámetro de la tubería de esta línea.
Cuartos 1,2 y 3
Para una línea de líquido con tuberías de 5/8 pulgadas se escoge el modelo HMI-1MM5, también es posible escoger el modelo HMI-1TT5, todo depende del tipo de conexión que se establezca con la tubería.
Cuartos 4 y 5
Para una línea de líquido con tuberías de 1/2 pulgadas se escoge el modelo HMI-1MM4, también es posible escoger los modelos HMI-1TT4 y HMI-1FM4 de acuerdo al tipo de tubería y a la conexión a esta.
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Ilustración 30. Catalogo Mirilla
[5]
9. Selección del acumulador de succión (Opcional)
Los acumuladores de succión se seleccionan de acuerdo a la carga total del sistema, deben ser capaces de recibir la carga máxima posible hacia el compresor que pueda darse en un sistema en un solo ciclo, se asume que esta es más o menos el 50% de la carga total disponible. Sin embargo la determinación de la carga de refrigerante se hace de manera empírica por medio de varias pruebas con un tubo capilar y diferentes cargas estimadas de acuerdo a la carga ideal, por lo cual se seleccionará el acumulador por medio del flujo de refrigerante y el tiempo que demora en recorrer este las tuberías, obteniéndose de manera aproximada la masa total de refrigerante en el sistema.
Cuartos 1 y 2
Para un flujo másico de refrigerante de 1390 Lb/h, teniendo en cuenta que el refrigerante recorre la línea de succión de 65.617 pies de largo a una velocidad de 2338 fpm, la línea de descarga de 16.404 pies a 2192 fpm y la de líquido de 65.617 pies a 235 fpm, y asumiendo que el tiempo que se demora la masa de refrigerante en recorrer el sistema transcurre en su mayoría en el paso por las tuberías, se calcula la masa aproximada de refrigerante a la entrada del compresor de este modo:
(
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)
El acumulador a escoger deberá soportar al menos la mitad de esta masa, es decir 1.655 Kg (La masa real debe ser mayor ya que no se tomó en cuenta el tiempo de paso por los equipos), de modo que se escoge el modelo AS-585-7 que soporta 2.497 Kg de carga.
Cuarto 3
Para un flujo másico de refrigerante de 1310 Lb/h, con líneas iguales a las de los cuartos 1 y 2 se tiene:
(
)
Luego entonces, para una masa de 1.56 Kg (50% carga total), se escoge el modelo AS4100-6 que soporta 1.589 Kg de carga.
Cuarto 4
Para un flujo másico de refrigerante de 690 Lb/h, teniendo en cuenta que el refrigerante recorre la línea de succión de 65.617 pies a una velocidad de 1967 fpm, la línea de descarga de 16.404 pies a 1719 fpm y la de líquido de 65.617 pies a 196 fpm, se tiene que:
(
)
Luego entonces, para una masa de 0.985 Kg (50% carga total), se escoge el modelo AS3115-5 que soporta 1.135 Kg de carga.
Cuarto 5
Para un flujo másico de refrigerante de 760 Lb/h, teniendo en cuenta que el refrigerante recorre la línea de succión de 65.617 pies a una velocidad de 1729 fpm, la línea de descarga de 16.404 pies a 2254 fpm y la de líquido de 65.617 pies a 254 fpm, se tiene que:
(
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)
Luego entonces, para una masa de 0.815 Kg (50% carga total), se escoge el modelo AS394-5 que soporta 0.908 Kg de carga.
Ilustración 31. Catalogo para acumulador de succión
[6]
10. Selección de la válvula de bola
Las válvulas de bola se seleccionan de acuerdo al diámetro de la tubería en la que se quiera colocar, se debe considerar al menos una válvula de bola en la línea de gas después del evaporador, la cual corresponde a la línea de succión.
Cuartos 1,2 y 3
Las líneas de succión tienen tuberías de 1-5/8 pulgadas, para las cuales se requiere una válvula de bola con este tamaño, esta válvula corresponde al modelo BVE/BVS-158 (BVE y BVS sin y con válvula de acceso respectivamente).
Cuarto 4
Las líneas de succión tienen tuberías de 7/8 pulgadas, para las cuales se requiere una válvula de bola modelo BVE/BVS-78.
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Cuarto 5
Las líneas de succión tienen tuberías de 1-1/8 pulgadas, para las cuales se requiere una válvula de bola modelo BVE/BVS-118.
Ilustración 32. Catalogo para válvula de Bola
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11. Selección de los separadores de aceite
Los cuartos manejan cargas de 4.33 toneladas, el cuarto 4 maneja una carga de 3.25 toneladas y el cuarto 5 maneja una carga de 3,25 toneladas, para las cuales el modelo AF 58855, que a 4°C (38.2°F) soporta 5.5 toneladas y a -40°C (-40°F) soporta 4 toneladas puede manejar, considerando que -11°F esta en un punto relativamente intermedio (mas del lado de -40°F) y 22 y 32°F son cercanos a 38.2°F, se puede aceptar este modelo, uno para cada cuarto (uno por compresor).
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Ilustración 33. Catalogo separadores de aceite
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12. Referencias. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
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Catalogo BOHN para evaporadores Catalogo Emerson Climate para válvulas de expansión tipo ton Catalogo Emerson Climate para válvulas solenoides Catalogo Emerson Climate para filtros deshidratadores Catalogo Emerson Climate para mirillas indicadoras de nivel de líquido Catalogo Emerson Climate para acumulador de succión Catalogo Emerson Climate para válvula de bola Catalogo Emerson Climate para separadores de aceite
