Cuarto de Frio_sandia

7/24/2019 Cuarto de Frio_sandia

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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

FACULTAD DE INGENIERIA MARITIMA, CIENCIAS

BIOLOGICAS, OCEANICAS Y DE RECUERSOSNATURALES

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Diseo del cuarto de fro

para Sandas.REFRIGERACION Y ACONDICIONAMIENTO DE

AIRE PARA BUQUES

Macas Chiriguaya Oscar


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Diseo del cuarto de fro para Sandas.

Macas Chiriguaya Oscar W. Pgina 1

INTRODUCCIN

El diseo de un cuarto fro no solo debe ser el clculo de la carga trmica del producto,

sino tambin debe incluir parmetros para la ptima conservacin del mismo, la forma

correcta de empacarlo y transportarlo, el tiempo mximo que se debe tener

refrigerado, entre otros. Y aunque hay muchas investigaciones relacionadas con estos

temas, no existe un documento que recopile toda la informacin encontrada, por lo que

se ven casos en donde se han repetido investigaciones en una misma fruta.

Se realizar el estudio y diseo del cuarto de fro para una fruta seleccionada; en este

caso la fruta con la cual se va a trabajar es la sanda; los motivos para escoger esta

fruta, fue asignada por el profesor.

OBJETIVOS

Objetivo General

Disear un cuarto de frio para almacenar sanda.

Objetivos Especficos

Aplicar los conocimientos adquiridos en las materias que conforman la malla

curricular de la carrera de Ingeniera Naval.

Realizar los clculos respectivos de carga trmica a fin de dimensionar

correctamente el cuarto de frio de la fruta.


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Desarrollar correctamente el clculo de la carga de refrigeracin de tal manera

que permita la seleccin ptima de los componentes que conforman el sistema

de aire acondicionado mecnico.

Aprender a utilizar los programas, Bitzer y Frimetal.

CALCULO DE LA CARGA

La carga de refrigeracin total incluye (1) la carga de transmisin, que es el calor

transferido en el espacio refrigerado por su superficie; (2) la carga de producto, que es

el calor quitado y producido por productos trados y mantenidos en el espacio

refrigerado; (3) la carga interna, que es el calor producido por fuentes internas (p.ej.,

luces, motores elctricos, la gente que trabaja en el espacio); (4) la carga por

infiltracin de aire, que es el beneficio de calor asociado con el aire que entra en el

espacio refrigerado; y (5) la carga relacionada con el equipo.


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DESCRIPCIN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIN

El sistema de refrigeracin elegido para el desarrollo de este proyecto es refrigeracin

por compresin de vapor a continuacin se describe tal sistema:

La refrigeracin por compresin es un mtodo de refrigeracin que consiste en forzar

mecnicamente la circulacin de un refrigerante en un circuito cerrado creando zonas

de alta y baja presin con el propsito de que el fluido absorba calor en el evaporador

y lo ceda en el condensador.

En su forma ms sencilla un sistema de refrigeracin consta de cinco componentes:

Compresor, Condensador, Evaporador, Dispositivo de Expansin y Tuberas.

Ilustracin 1. Sistema de Refrigeracin por Aire

Compresor: Es el corazn del sistema, ya que mueve el flujo de refrigerante.

Su funcin es recibir vapor de refrigerante a baja presin (y temperatura)

proveniente del evaporador y comprimirlo a alta presin. El vapor a alta presin

es convertido a fase lquida en el condensador.

Condensador: El condensador absorbe el calor que trae el vapor de

refrigerante a alta presin y lo transfiere al aire forzado que recibe de los

ventiladores, o hacia el agua de enfriamiento, segn sea enfriamiento por aire o

por agua. Dispositivo de Expansin: En fase lquida el refrigerante generalmente es

almacenado y posteriormente llega a la vlvula de expansin.

Evaporador: Equipo donde concluye la evaporacin de la mezcla de

refrigerante lquido-gas, absorbiendo calor del medio que est siendo enfriado.

Todo el refrigerante debe pasar al estado de vapor.


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CUARTO DE FRIO

Se ha encontrado que para asegurarse que un panel no sea daado al momento de su

produccin, manejo, transportacin e instalacin, el grosor mnimo de este debe ser su

largo entre 90, esto nos facilita su manejabilidad. Se recomienda colocar un hueco de

45 cm mnimo en los plafones, con el fin de poder dar mantenimiento a las juntas entre

paneles, sellados, barreras de vapor, fijacin y tornillera. Es importante tener un

estudio de la temperatura mxima externa y la humedad relativa de la regin donde se

pretenda ubicar el inmueble, estos datos nos servirn como referencia para obtener

espesores en los paneles.

Dimensiones Principales

Ilustracin 1. Dimensiones Principales del Cuarto de Frio

Las dimensiones principales de la embarcacin son las siguientes:

Dimensiones del Cuarto a Enfriar

L profundidad [m] 5

W ancho [m] 4

H alto [m] 2.5

t espesor de plancha [m] 0.01

Tabla 1. Dimensiones Principales del Cuarto de Frio

Cabe recalcar que el cuarto de refrigeracin se ha sido diseada para tener cualquierfruta almacenada mxima de 20 das.


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ESPESOR DE A ISLACIN DEL CUARTO DE FRIO

A continuacin se detalla el proceso de clculo del espesor del aislante que cubre la

bodega de almacenamiento.

Eleccin del Material Aislante

Cualquier mtodo utilizado para conseguir oposicin en el flujo de calor se conoce

como aislamiento, el mtodo ms comn de aislamiento es el de cubrir todo lo que

rodea el producto con lminas con distintos materiales, la composicin de estas

lminas vara de acuerdo a las necesidades, pero en general se compone de una

lmina de material aislante de gran espesor rodeada por dos lminas de un metal

inoxidable como el aluminio. Entre mayor sea la diferencia de temperaturas entre el

ambiente externo e interno, mayor debe ser el espesor del material aislante.

La capacidad de aislamiento trmico del poliuretano se debe al gas aprisionado en las

celdillas cerradas del entramado del polmero, lo que hace que sea totalmenteimpenetrable al agua.

El poliuretano al inyectarse en una obra, lo hace particularmente adecuado para su

aplicacin en superficies curvas, discontinuas y provistas de rincones como se

presentar en el cuarto de frio.

Clculo del espesor del Aislante

El revestimiento del cuarto de frio estar constituido principalmente por planchas de

aluminio, mientras que el casco por planchas de acero.

El espesor del aislante (poliuretano) para la superficie que se encuentra sobre la lnea

de flotacin se lo calcular tomando en cuenta los siguientes parmetros de diseo:

Parmetro Valor Unidad

Te(ambiente) 300C

Ti(punto de congelacin) -10C

t aluminio 0.01 m

k aluminio 180 kcal/m*h*0C

k poliuretano 0.02 kcal/m*h*0

C

K1 8 kcal/m2*h

he 29.3 kcal/m2*h*

0C

hi 7.167 kcal/m2*h*

0C

T 310C

T 55.8oF

Tabla 2. Parmetros de diseo


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De la tabla 2, la temperatura interna corresponde al punto de congelacin ms alto del

pescado. El aire exterior se considera conveccin forzada, ya que de acuerdo a la

referencia [] debido a las condiciones de velocidad del viento se puede asumir unefecto de conveccin forzada, de tal forma que los coeficientes de conveccin exterior

e interior son los que se muestran en la tabla 2. Los coeficientes de conductividad

trmica de los elementos que intervienen se los ha obtenido de las tablas

proporcionadas en el libro de Principios de Sistemas de Refrigeracin de Edward Pita.

Despejando la tpoliuretano de la ecuacin (1) se tiene:

( ) ( ) ( ) ( ) ()

Pero de acuerdo a la siguiente tabla, el espesor mnimo del aislante debera ser 3 in.

Temperatura deOperacin [C]

Espesor[in]

15 2

10 2

5 3

0 4

-5 5

-10 6

-15 7

-20 8

-25 9

-30 11

Tabla 3. Espesor del aislante de acuerdo a la temperatura de Operacin


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CALCULO DE LA CARGA

Denominada tambin Carga total de Refrigeracin, esta carga la obtenemos de la

suma de:

Carga trmica por transmisin

Carga trmica del producto

Carga trmica interna

Carga trmica relacionada al equipo

Carga trmica por transmisin

Primero se mostrara la tabla con los datos de entrada, para el clculo del cuarto de

frio:

Dimensiones del cuarto

L: Longitud del cuarto, m 1.13

B: ancho del cuarto, m 1.2

H: Altura del cuarto, m 1.8

t: espesor de la pared del cuarto, m 0.015

At: Area pared transversal, M2 2.16

Al: rea de la pared lateral, m2 2.04

As: rea de la pared superior, m2 1.36

Ilustracin 2. Datos del Cuarto de frio

Datos de Temperatura

Te Temperatura ambiente [C] 14

Tf Temperatura fruta [C] 1.67

Ilustracin 5. Datos de temperatura ambiental y fruta

Para el clculo de este parmetro de acuerdo a la referencia citada la carga

trmica en un lapso de tiempo vendr determinada por la siguiente ecuacin:


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Carga Trmica Por Transmisin

q ganancia de calor [KW] 7.837253731

A rea de la seccin exterior[m2]

42.5

Te Temperatura ambiente300

Ti Temperatura interior 272

T diferencia entre temperatura[K]

572

U coeficiente universal detransferencia de calor total

[W/(m2K)]

0.32238806

x1 espesor de la paredmaterial 1 [m]

0.05

k conductividad trmica de calor

de la pared [W/(mK)]

0.027

hi conductancia trmica de lasuperficie interna [W/(m2K)]

1.6

ho conductancia trmica de lasuperficie externa [W/(m2K)]

1.6

Tabla 4. Carga Trmica por Transmisin

Carga trmica del producto

Las cargas de refrigeracin primarias de productos trados y guardados en el espacio

refrigerado son (1) el calor que debe ser quitado para traer productos a la temperatura

de almacenaje y (2) el calor generado por productos (principalmente frutas y

hortalizas) en el almacenaje. La cantidad de calor para ser quitado puede ser

calculada de la siguiente manera:

Los parmetros considerados para la obtencin de Q2 se muestran en la tabla siguiente:


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Carga Trmica del Producto

m masa de la fruta [kg] 51100

c1 calor especfico del producto

en estado lquido [kJ/(kgK)]

1.74

T1 Temperatura inicial del

producto en estado lquido[C]

300

T2 Temperatura final del

producto en estado lquido

[C]

285

Tf temperatura de congelacin

del producto [C]

272

hif calor latente de fusin del

producto [kJ/kg]

306

c2 calor especfico del producto

en estado slido [kJ/(kgK)]

3.97

t3 temperatura final del

producto por debajo del

punto de congelacin [C]

274.7

Tabla 5. Carga Trmica del Producto

Remplazando estos valores en la ecuacin obtenemos:

Carga Trmica interna

Donde es la temperatura del espacio refrigerado en C. La Tabla 7 muestra la carga

media de la gente en un espacio refrigerado como el calculado en la Ecuacin 2.10.

Cuando la gente primero entra en un almacenaje ellos traen el calor adicional

superficial. As, cuando muchas personas entran y dejan cada pocos minutos, la carga

es mayor que lo calculado en la Tabla 7 y por tanto debe ser ajustada. Un ajuste

conservador puede ser multiplicar los valores resultantes de la Ecuacin 2.10 por 1.25.


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a. Infiltracin por Intercambio de aire

qt ganancia de calor promediopara un periodo de 24 h o

cualquier otro, kW

0.0676

q la carga refrigerada sensible ylatente para el flujo

totalmente establecido, kW

64.03

W espesor de la entrada, m 0.01

H altura de la entrada, m 1.9

Qs/A calor sensible de la carga delaire infiltrado por metro

cuadrado [kW/m2]

2.5

Rs razn de ganancia de calorsensible de la infiltracin aire

0.59

Dt Factor por tiempo deapertura de la entrada

0.026

P nmero de pasillos deentrada

8

p tiempo de abrir cerrar de lapuerta, segundos por pasillo

25

o tiempo de permanencia de lapuerta abierta, min

3

d periodo de tiempo diario, h 4

Df Factor por flujo de la entrada 0.8

E eficacia del dispositivoprotector de la entrada

0.95

Ilustracin 4. Infiltracin por intercambio de aire

La presin negativa en otros lugares de la instalacin, mecanismos que expulsan aire

al recinto sin otro mecanismo que la reemplace es una causa comn de ganancia de

calor por infiltracin de aire caliente. En espacios refrigerados que frecuentemente

abren sus entradas o cualquier otro sistema de pasaje permiten que el flujo de aire

pase directamente por la entrada. El efecto es idntico a las de entradas abiertas

expuestas al viento, y el beneficio de calor puede ser muy grande. La ecuacin 2.16 de

ganancia de calor debida a infiltracin por la entrada directa de aire proporciona la

base para la correccin de la presin negativa o para compensar la capacidad de

refrigeracin:


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b. infiltracin por flujo directo entradas

qt carga media de refrigeracin,kW

0.0072

V velocidad promedio del aire,m/s

1.5

A rea abierta, m2 0.1

ht entalpa de infiltracin delaire, kJ/kg

3.85

hr entalpa del aire refrigerador,kJ/kg

1.98

r densidad del aire refrigerado,kg/m3

0.975

Dt Factor por tiempo de aperturade la entrada

0.026

Ilustracin 5. Infiltracin por flujo directo entradas

Calculando para el aire de infiltracin, los componentes de calor sensible y latente

pueden ser obtenidos trazando la ruta de aire de infiltracin sobre la carta

psicomtrica, se determina el promedio de calor sensible de aire de la carta, y se

calcula as:

Calor sensible y calor latente, respectivamente.

c. Componente de calor sensible y latente

qs calor sensible 0.0441

ql calor latente 0.0307


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SELECCIN DE EQUIPOS PARA EL SISTEMA DE REFRIGERACIN

El sistema a instalar es un sistema de refrigeracin mecnica por compresin de

vapor de una etapa, con un sistema de expansin directa.

El medio condensante que se utilizar es el enfriamiento por aire, ya que evita la

instalacin de un circuito de extraccin de agua de mar.

El sistema de compresin ser de una etapa, ya que la temperatura para la

conservacin de los productos de la pesca no es muy baja, de modo que no se

requerir trabajar con temperaturas de evaporacin muy bajas las cuales requieren

diferencias elevadas de presin entre el condensador y evaporado.

Temperatura de evaporacin TE -11.1 OC

Temperatura del producto TP 1.67OC

Diferencia de temperatura DT 8.9OC

Temperatura de ambiente TA 30OC

Temperatura de Condensacin TC 44OC

Tabla 7. Datos de Diseo

Donde TE=TP-DT

DT para evaporadores de conveccin forzada a una humedad relativa escogida de

60%, se lo obtuvo de la referencia.

La seleccin delos equipos se basar en los resultados obtenidos hasta el momento,

para la seleccin de los mismos se utilizarn los programas de seleccin que los

fabricantes ponen a nuestra disposicin, de modo que facilita en gran medida la

correcta seleccin.

La secuencia recomendada en cuanto a la obtencin de los equipos es la siguiente:

Evaporador

Compresor

Condensador


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Selecc in del Evaporador

Para el diseo de la cmara se utilizarn evaporadores enfriadores de aire con

circulacin forzada y constituida por tubos, el sistema de alimentacin ser de

expansin seca.

A fin de satisfacer las necesidades requeridas por el sistema de refrigeracin el tipo de

evaporador escogido es de plafn, y para la seleccin del mismo se emplear el

software FrimetalKSelect proporcionado por la empresa de evaporadores FRIMETAL.

Con los datos de temperatura de evaporacin y de la cmara el programa entrega una

humedad relativa de 61%.

Resultados Obtenidos:

Ilustracin 6. Serie de Evaporadores FRIMETAL

De las opciones que nos muestra el programa seleccionamos la TERCERA alternativa

es decir la serie MVP modelo 22, ya que entrega una capacidad de aplicacin de 750

(W), cumpliendo de esta manera con la capacidad frigorfica necesaria para el sistema

de refrigeracin.

A continuacin se presenta el modelo del Evaporador seleccionado en detalle:


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Ilustracin 7. Modelo PIAS-112

Ilustracin 8. Evaporador FRIMETAL


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Seleccin del Compresor

El compresor requerido para el sistema de refrigeracin ser semi-hermtico, de

pistones y simple etapa, para la seleccin del mismo se utilizar el programa

BLITZER.


Ilustracin 9. Resultados de los modelos de compresores alternativos semi-

hermticos

El modelo seleccionado es el ESH77-50Y-40S, ya que suministra la potencia frigorfica

requerida para el sistema. (Ver catalogo en Anexo)

Seleccin del Condensador


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El condensador es un intercambiador de calor en el cual se rechaza el calor al medio

condensante que por motivos de factibilidad este ser por medio de aire, para la

seleccin de la unidad condensadora se utiliz el programa BITZER.


Ilustracin 10. Resultados de los modelos de condensadores

De los modelos proporcionados por el programa se seleccion el modelo K033N ya

que el mismo proporciona la capacidad admisible a la temperatura de condensacin

deseada.

CONCLUSIONES:Se puede concluir que fue posible disear con xito el sistema de refrigeracin para un

pesquero artesanal, aplicando los conocimientos adquiridos en lo largo de la carrera

de Ingeniera Naval, aplicando programas fue posible seleccionar los equipos

requeridos para el sistema.

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