INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología

DISEÑO DE UNA CÁMARA FRIGORÍFICA PARA CANALES DE RES

Alumnos:

Bazán reyes Giovanni ManuelHernández Serrano OscarLora Guerrero Oscar EduardoSilva Pérez Hugo

Profesora:

Cruz Pacheco Karina

Grupo: 5LV4

Fecha de entrega: 26/Mayo/2014

CONDICIONES CLIMATOLÓGICAS DEL LUGAR

Para realizar el diseño de una cámara frigorífica se debe tomar en cuentas las condiciones del clima del lugar a elegir, en este caso se eligió el municipio de Tlalnepantla de Baz, Estado de México, las condiciones climatológicas son las siguientes:

Tabla 1. Condiciones climatológicas del municipio Tlalnepantla de Baz

Lugar: Tlalnepantla de Baz, Estado de MéxicoAltitud: 2238 msnmHumedad relativa 50%Temperatura bulbo húmedo 77°FTemperatura bulbo seco 93°FTemperatura máxima exterior 89°FTemperatura interior del diseño 32°FVelocidad exterior del aire 9.3 mphVelocidad interior del aire 1.1 mph

DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO

La cámara a diseñar tendrá una capacidad para aproximadamente 67 canales, cada canal pesa aproximadamente 300 Kg. Es decir tendrá una cabida para 20 toneladas de carne. La carne se conserva por frío a una temperatura de los 32°F (0°C) y a una humedad relativa de 90%.

CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO

Tabla 2. Condiciones de Almacenamiento de canales de res

Temperatura de entrada 50°FTemperatura de almacenamiento 32°FTiempo de almacenamiento 14 díasCalor específico arriba del punto de congelación 0.75 BTU/lb°FCalor específico abajo del punto de congelación 0.40 BTU/lb°FCalor latente de fusión 98 BTU/lbPunto de congelación 29°FCapacidad a almacenar 44,092.40 libras (20 ton.)

DIMENSIONAMIENTO DEL ESPACIO

La disposición del carril y el espaciamiento de las canales de bovinos suele ser uniforme y tener las dimensiones siguientes: de 0.8 m a l m de longitud del carril por canal (canales de un peso de 300 kg) y de 0.8 m a l m la distancia entre carriles. Del suelo a la canal se toma una distancia mínima de 0.8 m, del riel al techo igual 0.8 m como mínimo.

Para el acomodo de los canales en rieles se decidió colocar 5 carriles que tendrán 14 ganchos para colgar las canales, serán en total 70 ganchos, la distancia entre los carriles será de 1 m, la distancia entre canales será de 0.8 m, se dejarán 2 metros extras de cada pared de la cámara para que haya una movilidad amplia de las personas que ingresen a la cámara y también para el equipo de refrigeración que se hallará dentro de la cámara.

A continuación se muestra un esquema del acomodo de las canales en los rieles de transporte dentro la cámara frigorífica.

Ilustración 1. Dimensiones para rieles de canales de res

Ilustración 2. Esquema del acomodo de las canales de res dentro de la cámara frigorífica

Las medidas de la cámara quedaron de la siguiente manera:

Largo 47.24 ft (14.4 m)Ancho 26.24 ft. (8 m)Altura 15.74 ft (4.8 m)

47.24 ft

26.24 ft15.74 ft

PARED OESTE

PARED ESTE

PARED NORTE

PARED SUR

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

PAREDES

Tabla 3. Materiales para las paredes de la cámara frigorífica

Material Espesor (pulgadas) Coeficiente de conductividad (k)Concreto 6 6 0.13Poliuretano expandido 2 0.17Lámina Cold Roll 0.04 12

CIELO

Tabla 4. Materiales para el cielo de la cámara frigorífica

Material Espesor (pulgadas) Coeficiente de conductividad (k)Losa Concreto 4 4 0.12Madera /Abeto) 6 0.80Poliuretano expandido 2 0.17Lámina Cold Roll 0.04 12

PISO

Tabla 5. Materiales para el piso de la cámara frigorífica

Material Espesor (pulgadas) Coeficiente de conductividad (k)Piso de losa 2 2 0.067Poliuretano expandido 4 0.17Concreto 2 0.046

PUERTA

Tabla 6. Materiales para las puertas de la cámara frigorífica

Material Espesor (pulgadas) Coeficiente de conductividad (k)Poliuretano expandido 6 0.17Lámina Cold Roll 0.04 12Lámina Cold Roll 0.04 12

Los materiales elegidos para fabricar la cámara frigorífica fueron tomados de (Dossat, 1997) al igual que las conductividades y espesores. El poliuretano es el aislante más utilizado para la fabricación de cámaras frigoríficas actualmente por su bajo coeficiente de conductividad.

CÁLCULO DE CARGAS

CARGA EN PAREDES

Cuando una pared está construida de varias capas de diferentes materiales, como en este diseño, la resistencia térmica total de la pared es la suma de las resistencias de los diferentes materiales de que está construida la pared, incluyendo este es,

1U

= 1f i

+ xk 1

+ xk2

+ xk n

+ 1f o

Por lo tanto;

U= 11f i

+xk1

+xk2

+xkn

+1f o

Donde

f i=Coeficiente de convecciónde pared interior

f o=Coeficiente de convecciónde pared exterior

x=espesor de la capa

k=coeficiente deconductividad

Para el cálculo de f i y f o existen 2 fórmulas y se basan en la textura de la superficie de la pared

f=2+0.4 v (Para pared medianamente rugosa)f=1.6+0.3v (Para pared lisa)

Donde

v=velocidad del aire (interno oexterno)

CARGA EN PARED ESTE Y OESTE

Para el cálculo de la carga en la pared este, oeste, norte y sur, tomaremos los mismos valores de U debido a que las 4 paredes están hechas de los mismos materiales y espesores.

Se calcula fi y fo, fo se calcula con la siguiente fórmula porque la textura exterior de las paredes es medianamente rugosa por ser hecha de concreto

f o=2+0.4 (velocidad exterior )=2+0.4 (9.3mph )=5.72 BTU°F ft h

fi se calcula con la siguiente fórmula debido a que la superficie interna es lisa

f i=1.6+0.3 ( velocidad interior )=1.6+0.3 (1.1mph )=1.93 BT U° F ft h

Se procede a calcular U usando los datos mostrados en las tablas de materiales a utilizar

U= 11f i

+xk1

+xk2

+xkn

+1f o

U= 111.93

+60.13

+20.17

+0.0412

+15.72

U=0.017 BTU° Ffth

Ahora con todos los datos necesarios se procede a calcular la carga (Q)

Q= (Área de la pared ) (U )(∆T )

Q= (15.74 ft∗47.24 ft )(0.017 BTU°Ffth )(89 ° F−32 ° F)

Q=720.507 BTUh

El resultado de Q es el mismo para la pared Oeste y Este.

CARGA EN PARED NORTE Y SUR

Este es un caso especial, las paredes norte y sur tienen dentro de su área una puerta por cada pared, así que se procede a restar el área de las puertas al área de la pared debido a que las puertas y las paredes son de diferentes materiales, el área de las puertas es de 80.688 ft2 mientras que el área total de la pared es de 411.668 ft2, por lo tanto:

Áreade la pared=Áreatotal de la pared−Área de la puerta

Áreade la pared=411.668 ft2−80.688 ft2=330.98 ft2

Seguimos usando el valor de U obtenido anteriormente ya que son del mismo material las paredes. Calculamos Q para pared norte y sur.

Q= (Área de la pared ) (U )(∆T )

Q=(330.98 ft2 )(0.017 BTU°Ffth )(89 ° F−32 ° F )

Q=320.719 BTUh

El resultado de Q es el mismo para la pared Norte y Sur.

CARGA EN PUERTA

Las puertas al no ser del mismo material que las paredes se debe sacar una nueva U, fi y fo.

Para fi y fo se dice que las dos puertas son lisas por el lado interior y exterior por lo tanto se calculan con la fórmula antes vista:

f i=1.6+0.3 ( velocidad interior )=1.6+0.3 (1.1mph )=1.93 BTU° F ft h

f o=1.6+0.3 (velocidad exterior )=1.6+0.3 (9.3mph)=4.39 BTU° F ft h

Obtenemos U:

U= 11f i

+xk1

+xk2

+xkn

+1f o

U= 111.93

+60.17

+0.0412

+0.0412

+14.39

=0.027 BTU°Ffth

Tomando en cuenta que área de cada puerta es de 80.688 ft2 se procede a calcular la carga (Q):

Q= (Área de la puerta ) (U )(∆T )

Q=(80.688 ft2 )(0.027 BTU° Ffth )(89 ° F−32 ° F )

Q=124.178 BTUh

El resultado de Q es el mismo para la puerta de la pared norte y sur.

CARGA EN CIELO

En este caso para calcular la carga en el cielo o techo usamos fo y fi de las paredes norte, sur, este y oeste por ser de las mismas características de textura, se recalcula U debido a que el cielo se forma por otros materiales diferentes al de las paredes norte, sur, este y oeste.

U= 11f i

+xk1

+xk2

+xkn

+1f o

U= 111.93

+40.12

+60.80

+20.17

+0.0412

+15.72

U=0.0187 BTU° Ffth

Ya con el nuevo dato de U para el cielo, se obtiene Q:

Q= (Área del cielo ) (U )(∆T )

Q=(1239.57 ft2 )(0.0187 BTU° Ffth )(89 ° F−32 ° F )

Q=1321.257 BTUh

CARGA EN PISO

Para el caso del piso se usa el mismo fo y fi que el caso de cielo y se obtiene U con los valores de k de cada material que compone el piso.

U= 11f i

+xk1

+xk2

+xkn

+1f o

U= 111.93

+2

0.067+40.17

+2

0.046+15.72

U=0.0102 BTU°Ffth

Para el caso del piso se considera bajar 5°F la temperatura exterior, es decir bajarla de 89°F a 84°F, se procede a calcular Q:

Q= (Área del piso ) (U )(∆T )

Q=(1239.57 ft2 )(0.0102 BTU°Ffth )(84 ° F−32 ° F )

Q=720.686 BTUh

Recolectando los datos obtenidos se tiene la siguiente tabla:

Tabla 7. Resumen de las cargas de las paredes de la cámara frigorífica

Pared Q (BTU/h)Este 720.507Oeste 720.507Norte 320.719Sur 320.719Puerta Norte 124.178Puerta Sur 124.178Cielo 1321.257Piso 720.686

Carga en Paredes 4,372.751 BTU/h

CARGA PRODUCIDA POR EL PRODUCTO

Al producto es a quien se le debe retirar calor principalmente para que un determinado fluido o espacio se mantenga dentro de ciertas condiciones de temperatura y humedad.

En estos casos, el calor ganado en el espacio, que proviene del producto, se calcula por la siguiente ecuación:

Q=mC ∆T

Donde:

Q=Cantidad decalor enBTUm=masadel producto ( lb )

C=Calor específicoarribade congelación( BTUlb ° F)∆T=Cambio en latemperatura del producto (° F)

Tenemos los siguientes datos:

Temperatura de entrada 50°FTemperatura de almacenamiento 32°FCalor específico arriba del punto de congelación 0.75 BTU/lb°FCapacidad a almacenar 44,092.40 libras (20 ton.)

Aplicamos la fórmula anterior para obtener la carga por el producto:

Q=mC ∆T

Q= (44,092.40 lb )(0.75 BTUlb ° F ) (50 ° F−32° F )

Q=595,247.4 BTU24 h

Q=24,801.975 BTUh

CARGA GENERADA POR INFILTRACIÓN

La ganancia de calor en el espacio refrigerado como resultado de los cambios de aire es difícil calcularla con exactitud, por eso se proceden a utilizar tablas con datos aproximados.

El primer paso es tener el volumen interior de la cámara, éste es:

Volumen=47.24 ft∗26.24 ft∗15.74 ft=19,510.95 ft3

Posteriormente de la tabla 10-8B (Dossat, 1997) se obtiene el número de cambios de aire promedio por 24 horas, se realiza una interpolación con los siguientes datos obtenidos de la tabla

Volumen (ft3) Cambios de aire por 24h15,000 3.019,510.95 ¿?20,000 2.6

y= ya+(x−xa)( yb− ya)(xb−xa)

y=3.0+ (19,510.95−15,000 ) (2.6−3.0 )(20,000−15,000 )

Númerode cambiosde aire=2.6391

Luego de la tabla 10.7ª (Dossat, 1997) se obtiene el factor por cambio de aire, tomando en cuenta las siguientes condiciones:

Temperatura exterior máxima=90°FTemperatura cuarto de almacén=32°FHumedad relativa= 50%

Se hace una interpolación con los datos de la tabla a las condiciones establecidas:

Temp. Almacén (°F) Factor por cambio de aire35 2.1732 ¿?30 2.26

y= ya+(x−xa)( yb− ya)(xb−xa)

Factor=2.17+(32−35 ) (2.26−2.17 )(30−35 )

=2.224 BTUft3

Hallando el factor y el número de cambios de aire, se procede a calcular Q:

Carga por infiltración=Vo lumen interior∗factor∗Númerode cambiosde aire

Carga por infiltración=19,510.95 ft3∗2.224 BTUft3

∗2.6391

Carga por infiltración=114,516.758 BTU24h

Carga por infiltración=4,771.531 BTUhr

CARGA POR ILUMINACIÓN

Para este cálculo se toma en cuenta la siguiente fórmula para la carga:

Q= (¿lámparas )∗(Watts por lámpara )∗(3.415 BTUh )Para la cámara frigorífica se utilizarán 18 lámparas de la marca ETAP Mod. RD16J16/LEDN30S con una potencia de 34W y resistencia a bajas temperaturas, estarán distribuidas de la siguiente manera en la cámara.

Se calcula Q:

Q= (16 lámparas )∗(34W )∗(3.415 BTUh )=2090 BTUhLa cámara solo tendrá la iluminación encendida durante 4 horas, 2 horas para meter el producto a la cámara y 2 horas para distribuirlo a los camiones para su venta, el tiempo restante del día permanecerán apagadas. Por lo tanto,

CARGA POR MOTORES

En esta cámara frigorífica se usarán 4 motores de 1.5 HP, el equipo de enfriamiento se hallará dentro de la cámara frigorífica, según datos de la tabla 10-14 (Dossat, 1997) para un motor de 1.5 HP la carga es de 3700 BTU/h, entonces:

Q= (¿Motores )∗(Carga )

Q= (4motores )(3700 BTUh )Q=14,800 BTU

h

CARGA POR PERSONAL

Para calcular dicha carga se toman los datos de la tabla 10.15 (Dossat, 1997) que dice que para una temperatura de 32°F el calor cedido por persona es de 928 BTU/h.

Solo serán 4 personas las que tengan acceso a la cámara frigorífica ya sea para meter producto o sacarlo a distribución, igualmente solo podrán accesar las personas en un tiempo de 4 horas, las canales para su descarga serán recorridas mediante los carriles, habrá un tramo plegable de carril al inicio y al final del carril para evitar que el personal cargue la canal.

Se obtiene la carga por personal mediante la siguiente ecuación:

Q= (¿Personas )∗(Carga)

Q= (4 personas )(928 BTUh )Q=3712 BTU

h

RESUMEN GENERAL DE CARGAS

Tabla 8. Resumen General de Cargas

CARGA TÉRMICA CALOR (BTU/h) Horas de uso (h) Calor (BTU/día)Paredes 4,372.751 24

104,946.024Producto 24,801.975 24

595,247.400Infiltración 4,771.531 4

19,086.124Iluminación 2,090.000 4

8,360.000Motores 14,800.000 24

355,200.000Personal 3,712.000 4

14,848.000TOTAL 54,548.257

1,097,687.548

Aplicando un factor de seguridad que generalmente es el 10% tenemos:

CargaTotal=(54,584.257 BTUh ∗1.10)=60,042.682 BTUh

Convirtiendo a Kcal/h para hallar el equipo ideal tenemos:

60,042.682

BTUh

∗0.252kcal

1BTU=15,130.756

Kcalh

CARGATOTAL=15,130.756 Kcalh

SELECCIÓN DEL EQUIPO

REFRIGERANTE

El refrigerante a utilizar será el R-134a, el R-134a es un refrigerante HFC de cero potencial de destrucción del ozono y con propiedades muy similares al R-12. Es utilizado como un refrigerante puro en las aplicaciones que tradicionalmente usaban R-12 y como componente en mezclas de refrigerantes diseñadas para sustituir R-502 y R-22. Los fabricantes de compresores y sistemas ya tienen disponibles equipos que han sido diseñados específicamente para el R-134a. Pruebas de laboratorio y en el campo también han confirmado que el R-134a funciona bien como un sustituto para reconversiones en sistemas que usan R-12 y R-500. 

Las especificaciones del R-134a se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 9. Especificaciones del refrigerante R-134a

Fórmula C2H2F4

Peso Molecular 102 g/mol

Temperatura Ebullición a 1 b -26.5°C

Presión Ebullición a 25°C 6.7 bar

Densidad Líquido 1206 (kg/m3)

Temperatura Crítica 101.2°C

Presión Crítica 40.6 b

Calor Latente de Vaporización a bp 205.5 kJ/kg

ODP 0

WGP (CO2) 1300

Punto de Inflamabilidad no

Las aplicaciones del R-134a abarcan una gama amplia: aire acondicionado para automóviles, sistemas especializados de aire acondicionado o climatización, enfriadores (chillers) centrífugos de presión positiva, refrigeración comercial de temperatura media, gabinetes de refrigeración, plantas de refrigeración y transportes refrigerados; por lo que es adecuado para la cámara frigorífica que se está trabajando.

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

El equipo elegido es de la marca GELPHA Compressors Modelo R2-7LVR33.4X dicho modelo se adecúa a nuestras necesidades y a que utiliza el refrigerante seleccionado (R-134a), lo que lo hace

la mejor opción, el rendimiento de dicho equipo es de: 15,789 Kcal/h lo cual lo hace

perfecto para la cámara trabajada que debe disipar un calor de 15,130.756 Kcal/h.

El equipo seleccionado incluye todos los elementos de la refrigeración, este equipo irá dentro de la cámara con su respectiva carcasa. Sus dimensiones son: 1.19 m x 0.83 m x 0.67 m, lo que la hace aún mejor ya que se adapta a las medidas establecidas para la cámara.

BIBLIOGRAFÍA

Dossat, R; “Principios de Refrigeración”; CECSA; México; 1980; PP 187-224

http://www.gelfredcompressors.com/ “Selección de equipo”

http://www.poligaz.com/ “Ficha técnica R-134a”

Ilustración 3. Equipo de refrigeración GELPHA Compressors Modelo R2-7LVR33.4X