Diseño y cálculo de un sistema de refrigeración en Teotihuacan Estado de México

SEPTIEMBRE-2015

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

PROYECTO:

CÁLCULO, DISEÑO Y MANTENIMIENTO DE UNA CÁMARA DE REFRIGERACIÓN PARA

LA CONSERVA DE MANZANA UBICADA EN TEOTIHUACÁN, ESTADO DE MÉXICO.

INTEGRANTES:

INTEGARCÍA RÍOS ALEJANDRO.

INTEGUZMÁN PÉREZ JOSE CARLOS.

INTELÓPEZ VENTURA RENÉ ALEJANDRO.

INTEZÚÑIGA PAULIN ANTONIO DE JESÚS.

ASESOR:

ASESM en C. DONÍS SÁNCHEZ FREDY.

EVALUADORES:

EV ING. CENTENO GUTIERREZ RAUL.

EV M en C. DONÍS SÁNCHEZ FREDY.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad existe una gran demanda en el sector alimenticio a consecuencia de la

creciente población, es de vital importancia satisfacer las necesidades que surgen dentro de la

sociedad. El municipio de Teotihuacán Estado de México es uno de los tantos lugares que no

cuenta con sistemas de refrigeración en donde se pueda almacenar fruta y/o cualquier otro

alimento por periodos de tiempo, que permitan la distribución hacia otros lugares colindantes

con el municipio y que conserve el alimento en óptimas condiciones para su consumo.

OBJETIVO

Diseñar, calcular y dar mantenimiento a una cámara de refrigeración que cumpla con los

requerimientos que permitan conservar manzana en condiciones adecuadas para su consumo,

y que a su vez sea un proyecto viable y rentable.

JUSTIFICACIÓN

Al pertenecer a la región económica II de Zumpango y ser patrimonio de la humanidad,

Teotihuacán se ha convertido en un centro turístico importante de México y por tanto el arribo

de población cada vez es mayor ocasionando una gran demanda en el sector alimenticio de

todo tipo, la principal escases que se genera es de fruta y de acuerdo a comerciantes la

manzana ocupa el primer lugar en consumo.

Este proyecto servirá como modelo para en lo subsecuente pensar en diseños de más

frigoríficos para conservar otro tipo de frutas, como por ejemplo la tuna que de igual manera en

esta región se produce a gran escala. Así mismo se demostrará el beneficio de implementar

frigoríficos para conservar alimentos por periodos de tiempo de acuerdo a la necesidad de la

población.

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INTRODUCCIÓN

A lo largo de la humanidad, una de las principales necesidades que busca cubrir el hombre es

la de su alimentación. Para mejorar sus condiciones de vida; ha buscado que los alimentos que

obtiene pueda almacenarlos en grandes cantidades para temporadas de escases, ya sean

carnes verduras, frutas, legumbres, etc. Pero uno de los principales obstáculos con el que se ha

enfrentado en hombre es con el tiempo de vida de los alimentos.

Por eso es que hasta la fecha se ha investigado y creado formas de alargar la vida de sus

alimentos; pero muchos de ellos cambian el sabor y las propiedades de los mismos. Algunos

ejemplos de estos métodos de conservación son: el ahumado, la deshidratación, cubiertos por

salmuera, encurtidos, guardados en sal, etc. Pero uno de los principales métodos, que ha sido

de los más útiles y efectivos es la refrigeración.

En este trabajo no se pretende hablar de la refrigeración en general, sino de las manzanas y de

qué manera estas se pueden mantener almacenadas durante el tiempo más prolongado, para

evitar el proceso de putrefacción.

Las manzanas tienen muchas propiedades medicinales, así como estéticas, son utilizadas

como golosina y es una de las frutas más vendidas y distribuidas en todo el mundo. Por medio

de este trabajo se pretende calcular y diseñar un sistema de refrigeración para el

almacenamiento de las manzanas en un lugar en específico, que es el municipio de

Teotihuacán estado de México.

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CAPÍTULO 1

GENERALIDADES

Si he subido tan alto…es porque lo he hecho apoyándome sobre los hombros de gigantes.

Isaac Newton

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

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1.1 Datos históricos

Partiendo de los grandes icebergs hasta las espesas capas de hielo que se forman en las altas

montañas, la idea y los principios básicos de la refrigeración siempre han sido los mismos, lo

único que ha ido evolucionando son los diseños y las nuevas formas de congelar, enfriar,

conservar o mantener los productos, equipos y espacios diversos.

Casi todas las evidencias apuntan a que fueron los chinos los primeros en almacenar hielo y

nieve para enfriar vino y otros alimentos. Se han encontrado pruebas de que los sótanos de

almacenamiento de hielo se utilizaban en China ya en el año 1000 a.C. Los griegos y los

romanos también utilizaban, para guardar hielo, almacenes subterráneos, que cubrían con paja,

maleza y otros materiales para proporcionar aislamiento y preservar el hielo durante largos

periodos de tiempo.

Los antiguos egipcios e indios enfriaban líquidos utilizando jarras de barro poroso. Estas jarras

se disponía de modo que circulara sobre ellas el aire seco nocturno y el líquido que rezumaba a

través de las paredes porosas de las jarras se evaporaba para proporcionar el enfriamiento.

Algunas evidencias apuntan a que se producía hielo mediante la evaporación del agua a través

de las paredes de estas jarras, que hacía que se radiara calor hacia el aire nocturno.

En los siglos XVIII y XIX se cortaba hielo de los lagos y estanques en el invierno, en las zonas

septentrionales, y se almacenaba bajo la tierra para utilizarlo en los meses más cálidos. Parte

de este hielo se empaquetaba con serrín y se transportaba hacia las zonas meridionales, con el

fin de utilizarlo para preservar los alimentos.

A principios del siglo XX, seguía siendo común en los países meridionales cortar hielo en los

estanques y almacenarlos en depósitos de hielo a cielo abierto. Este hielo se aislaba mediante

serrín y se repartía a las casas y a los comercios.

En 1834, el estadounidense Jacob Perkind desarrolló un sistema de refrigeración cerrado,

utilizando el mecanismo de expansión de un líquido y de compresión para producir un efecto de

enfriamiento. Utilizo éter como refrigerante, un compresor operado a mano, un condensador

enfriado por agua y un evaporador, para construir un enfriador de líquidos, obteniendo una

patente para este sistema en el Reino Unido. Ese mismo año también en el Reino Unido, L. W.

Wright produjo hielo mediante la expansión de aire comprimido. Los aparatos de refrigeración

mecánica fueron desarrollados en primer lugar para producir hielo.

Durante el siglo XIX, fueron diseñados otros sistemas de refrigeración en los EEUU, en

Australia y en Inglaterra. En los años siguientes, se realizaron muchas mejoras en los diseños

de los equipos y, en la década de 1930, la refrigeración estaba ya en proceso de ser utilizada

ampliamente en las casas y comercios.


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1.1.1 Sucesos importantes:

1755 William Cullen obtuvo una pequeña cantidad de hielo por evaporación de agua en vacío

(Gran Bretaña).

1824 Richard Trevitik escribe la tesis “la producción del frio artificial”, Sadi Carnot escribe sus

reflexiones sobre el motivo del poder calorífico.

1830 Notas encontradas de Sadi Carnot sobre la equivalencia de trabajo y calor por su

hermano, después de su muerte y que no fueron publicadas sino hasta el año de 1878.

1834 Jacob Parkinson (Londres, Inglaterra), inventó la máquina compresora para refrigeración

que utilizaba como fluido de trabajo éter etílico.

1842 Transportan de manera informal pescado, mantequilla y productos avícolas en vagones

con hielo natural.

1844 John Gorrie usó su máquina de ciclo de aire para enfriar cuartos en el hospital de

Apalachicola, Florida.

1859 F. Carré manufactura hielo mediante compresores de éter.

1862-1863 Manufactura comercial de hielo en Francia y E.U. usando la máquina de absorción

de Carré.

1866 En E.U. se transportan por primera vez fresas mezcladas con hielo (Parker Earle). En

Francia Edmon Carré diseña el primer equipo de refrigeración comercial usando vapor de agua

en vacío (con ácido sulfúrico licuado).

1868 Vagones de refrigeración utilizan hielo mezclado con sal, patentado por D.W. Davis en

Detroit, E.U.

1873 David Boyle, desarrolla el primer compresor para refrigeración que tiene como fluido de

trabajo el amoniaco.

1878 Primera morgue refrigerada.

1898 Crioconcentración de soluciones farmacéuticas, por fracciones congeladas y separación

centrífuga.

1901 Primer tren refrigerador ruso (planta de Linde), segundo en 1908 (planta de Humboldt).

1911 Carrier realiza su diagrama de aire húmedo para el cálculo de instalaciones de aire

acondicionado.

1935 Paul Becwerel (Francia) en asociación con el laboratorio de criología de Leyden,

experimentan con temperaturas de refrigeración muy bajas en ciertos organismos vivientes.


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1.2 Conceptos básicos utilizados en la refrigeración

Al igual que en cualquier otra ciencia, la refrigeración tiene su propia terminología. La

refrigeración es la transferencia de calor de un lugar donde no se desea, a otro donde no

importa cederlo.

1.2.1 Termodinámica

Por definición la termodinámica es una rama de la física que se encarga de estudiar todo lo

relativo a las transformaciones de la energía, en sus formas de calor y trabajo, así como de las

relaciones entre las diferentes propiedades físicas de las sustancias en las cuales se llevan a

cabo dichas transformaciones (principalmente de aquellas propiedades que están relacionadas

en funcionalmente con la temperatura).

1.2.2 Ley cero de la termodinámica

Dos cuerpos separados que están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, también están en

equilibrio térmico entre sí.

1.2.3 Primera ley de la termodinámica

Está basada en el “principio de conservación de la energía”, establece que:

La suma total de la energía del universo es una cantidad constante; esta energía no puede

incrementarse, disminuirse, crearse o destruirse.

1.2.4 Segunda ley de la termodinámica

Ninguna máquina térmica puede producir un trabajo neto intercambiando calor con una región a

una sola temperatura fija.

Todos los fenómenos naturales espontáneos tienden a alcanzar un estado de equilibrio, de

mayor probabilidad, de menor energía potencia, de mayor desorden y de concentración

homogénea de sus propiedades.

Como se pueden observar a primera instancia, esta ley habla de la unidireccional de los

fenómenos espontáneos y de la entropía”.

Consecuencias y/o características:

a) el calor fluye espontáneamente de un objeto caliente a uno frio

b) ninguna maquina puede cambiar todo el calor en trabajo.

c) si un sistema experimenta cambios espontáneos su entropía se incrementará.

Está basada en la “degradación” de la energía y la unidireccionalidad de los fenómenos

naturales.

Es una ley “inmutable y eterna”, todo lo que vaya en contra es falso.


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1.2.5 Tercera ley de la termodinámica

La entropía tiende a un valor constante mínimo cuando la temperatura tiende al cero absoluto.

1.2.6 Fluido

Es aquella sustancia que, debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y

adopta la forma del recipiente que lo contiene.

Los fluidos se clasifican en líquidos y gases.

1.2.7 Líquido

A una presión y temperatura determinadas ocupan un volumen determinado. Introducido el

líquido en un recipiente adopta la forma del mismo, pero llenando solo el volumen que le

corresponde. Si sobre el líquido reina una presión uniforme, por ejemplo, la atmosférica, el

líquido adopta una superficie libre plana, como la superficie de un lago o la de un cubo de agua.

1.2.8 Gas

Fluido compuesto por un conglomerante de moléculas libres, en constante movimiento entre

ellas. A una presión y temperatura determinada tienen también un volumen determinado, pero

puestos en libertad se expansionan hasta ocupar el volumen completo del recipiente que lo

contiene, y no presentan superficie libre.

1.2.9 Sistema

Es una parte del universo que queremos estudiar, limitada por fronteras (fijas o móviles, reales

o imaginarias), existen 3 tipos de sistemas:

Sistema abierto. Hay transferencia de masa y energía con sus alrededores.

Sistema cerrado. Puede transferir energía pero no masa.

Sistema aislado. No transfiere ni masa ni energía (no existe es imaginario).

1.2.10 Proceso termodinámico

Es el cambio, transformación de magnitudes o propiedades termodinámicas de un determinado

sistema estás deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final.

1.2.11 Propiedad termodinámica

Es toda aquella que se pueda relacionar funcionalmente con la temperatura.

1.2.12 Parámetros principales de estado

Se define estado, como una condición particular de un sistema en un instante dado; la cual se

define por los valores de sus propiedades termodinámicas.


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Un estado termodinámico se basa en 3 variables o parámetros:

Presión.

Volumen.

Temperatura.

Por lo tanto es un punto en un espacio tridimensional. Para definirlo se requieren 2 variables

independientes y una dependiente.

1.2.13 Presión (𝒑)

Es la fuerza que actúa sobre un cuerpo por unidad de área. Esta fuerza es perpendicular a cada

uno de los elementos de la superficie y está dirigida hacia el interior del cuerpo.

a) Presión atmosférica (𝒑𝒂𝒕𝒎)

El aire tiene peso y por consecuencia ejerce una presión sobre la superficie de la tierra, a esta

presión se le conoce como presión atmosférica.

El peso de una columna de aire con una sección transversal de 1cm2 de la superficie de la tierra

a nivel del mar es de 1.003 kg/cm2 o 14.696 lb/in2 atendiendo este valor como la presión

atmosférica normal a nivel del mar.

En realidad esta presión varía dependiendo entonces de la temperatura, humedad y algunos

otros factores. Precisamente un factor trascendente es la altura sobre el nivel del mar, teniendo

entonces que a mayor altura menor presión atmosférica.

b) Presión manométrica (𝒑𝒎𝒂𝒏)

Es la presión a la que se encuentra un fluido dentro de un recipiente.

c) Presión absoluta (𝒑𝒂𝒃𝒔)

Se entiende como la presión total o real de un fluido y esta se da por la suma de la presión

atmosférica más la presión manométrica.

1.2.14 Volumen (𝑽)

Es una característica de estado de un cuerpo y se define como el espacio ocupado por el

mismo.

a) Volumen específico (𝑽𝒆)

El volumen específico es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es la inversa

de la densidad y no depende de la cantidad de materia.


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1.2.15 Temperatura (𝑻)

Es la propiedad más importante de la termodinámica, por ello debe quedar muy claro que es lo

que mide o indica. Para ello, se usaran algunas de las definiciones más típicas (desde dos

puntos de vista: Macroscópicas y microscópicas).

Macroscópicas:

Propiedad que determina si un cuerpo está en equilibrio térmico con otro(s) cuerpo(s).

(Ley cero de la termodinámica).

Estado térmico de un cuerpo considerando con referencia a su poder de comunicar calor

a otros cuerpos.

Microscópicas:

Medida de la energía interna almacenada en un cuerpo o sistema.

Índice de la energía cinética medida de las moléculas de un cuerpo.

En el ámbito microscópico no hay moléculas frías o calientes sino rápidas o lentas. Esta es la

naturaleza mecánica del calor.

1.2.16 Energía

Es la sustancia o materia prima con que está hecho el universo.

Propiedades:

Es permanente (no se crea ni de destruye).

Es multiforme (Luz, Calor, Movimiento, etc.)

Es transformable de unas formas a otras en cantidades equivalentes: “Las máquinas no

producen energía, sólo la transforman”.

Se puede trasladar o “fluir” de un lugar a otro si existen las condiciones apropiadas

(como el agua que fluye de lugares altos a bajos).

Formas de energía:

Energía cinética.

Energía potencial.

Energía mecánica.

Energía eléctrica.

Energía interna.

Energía térmica o calorífica.

Energía luminosa.

Campos eléctrico y magnético.

Energía química.

Energía atómica.

Materia.


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2.2.17 Energía interna (𝑼)

Es la energía almacenada en un sistema en virtud del movimiento y posición de sus moléculas,

es decir, es la sima de las energías cinéticas y potencial de sus moléculas.

En esta energía no están consideradas (ni afectan) la energía química (entalpia de formación),

ni la atómica.

1.2.18 Trabajo (𝑾)

Desde el punto de vista de la termodinámica se pude definir como energía en tránsito de

carácter macroscópico que pasa a través de las fronteras de un sistema impulsado por

cualquier otra acción diferente a la temperatura.

Por tal motivo el trabajo tampoco se pude almacenar. Al pasar la frontera se convierte en

energía interna (al comprimir un gas) o en energía cinética (al mover un cuerpo), etc.

1.2.19 Entropía (𝒔)

Es una magnitud artificial creada por el hombre para explicar la unidireccionalidad de los

fenómenos espontáneos que ocurren en la naturaleza.

Mide:

El grado de desorden en que está la energía.

La falta de capacidad que tiene la energía para fluir.

El calor que ya no se puede convertir en trabajo.

El avance de los fenómenos naturales a producir estados de mayor probabilidad.

La entropía no se conserva, sino aumenta.

1.2.20 Entalpía (𝒉)

Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H, cuya variación expresa una medida

de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la

cantidad de energía que un sistema puede intercambiar por su entorno.

1.2.21 Calor (𝑸) Energía en transición a través de la frontera de un sistema, que no se puede identificar con una

fuerza mecánica que actúa a lo largo de una distancia.

1.2.22 Calor específico (𝑪𝒆)

Cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de una unidad de masa de una

substancia en un grado Celsius.


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a) Calor específico a presión constante (𝑪𝒑)

Se trabaja con dispositivos que no están sellados y por lo tanto las mediciones se efectúan en

condiciones de presión atmosférica constante.

b) Calor específico a volumen constante (𝑪𝒗)

Se realizan en sistemas aislados y se determina el calor liberado por una cierta cantidad de

masa.

1.2.23 Calor Sensible (𝑸𝑺)

Calor que hace que cambie la temperatura de una substancia u objeto.

1.2.24 Calor latente (𝑸𝑳)

Calor que hace que cambie de fase una substancia u objeto sin que cambie su temperatura.

a) Calor latente de sublimación (𝑸𝑳 𝒔𝒖𝒃𝒍𝒊𝒎𝒂𝒄𝒊ó𝒏)

Cantidad de calor que se necesita para cambiar de estado sólido a gaseoso.

b) Calor latente de fusión (𝑸𝑳 𝒇𝒖𝒔𝒊ó𝒏)

Término utilizado cuando el cambio de fase es de sólido a líquido.

c) Calor latente de evaporación (𝑸𝑳 𝒆𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓𝒂𝒄𝒊ó𝒏)

Es la cantidad de calor absorbida por un líquido para pasar a vapor sin cambiar su temperatura.

1.2.25 Calor total (𝑸𝑻)

Es la suma del calor latente más el calor sensible.

1.2.26 Transferencia de calor

Proceso por el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre

diferentes partes del mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere

mediante convección, conducción o radiación.

a) Transferencia de calor por conducción

Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas de los

electrones libres por colisiones entre ellos.


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b) Transferencia de calor por convección

Se produce por medio de materiales fluidos (líquidos y gases). Se produce por el transporte de

calor a través del movimiento del fluido, por ejemplo al calentar agua en un recipiente, el fluido

que se encuentra en la parte inferior se calienta y comienza a subir, mientras que la que esta

fría desciende tomando lugar de la que se encontraba en la parte inferior y en contacto con la

parte del recipiente que está siendo calentada.

c) Transferencia de calor por radiación

Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se requiere de un medio

para su propagación; la energía radiada se mueve a la velocidad de la luz. El calor irradiado por

el sol se puede intercambiar entre la superficie solar y la superficie de la tierra sin calentar el

espacio de transición.

1.2.27 Tonelada de refrigeración (𝑻𝑹)

Es la unidad nominal empleada en algunos países, especialmente de Norteamérica, para

referirse a la extracción de carga térmica (enfriamiento) de los equipos frigoríficos y de aire

acondicionado. Puede definirse como la cantidad de calor latente absorbido por la fusión de una

tonelada corta de hielo sólido puro en 24 horas; los equipos, esto equivaldría a una potencia

capaz de extraer 12 000 BTU por Hora, lo que en sistema internacional de unidades (SI)

equivale a 3 517 Watts.

1.2.28 Sobrecalentamiento

Es la cantidad de calor sensible que se le agrega a una libra/masa de vapor saturado bajo

ciertas condiciones de trabajo.

1.2.29 Subenfriamiento

Es la cantidad de calor sensible que se le agrega a una libra/masa de líquido saturado bajo

ciertas condiciones específicas de trabajo.


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1.3 La manzana

En México la manzana ocupa un lugar importante, con el 4.2 por ciento del volumen total del

sector frutícola, con un nivel de consumo de 6.5 kg por persona al año. Asimismo, esta fruta

ocupa el primer lugar en cuanto a importaciones.

Dentro de los frutos que se producen y consumen a nivel mundial, la manzana es sin duda una

de las de mayor relevancia, comercializándose importantes volúmenes de esta fruta año con

año.

La manzana es uno de los frutos más antiguos del mundo, que gracias a su enorme

adaptabilidad, logró dispersarse a diversas regiones de tal forma que hoy está entre los

principales frutos más comercializados del orbe.

Esta fruta tiene muchísimas aplicaciones dentro del sector industrial, comercial y farmacéutico,

entre otros; en las figuras 1.1, 1.2, 1.3 y 1.4 se muestran algunas aplicaciones. Algunos otros

ejemplos de este son:

Consumo en fresco.

Fabricación de sidra.

Fabricación de vinagre.

Elaboración de zumos y mostos sin fermentar.

Consumo del jugo.

Refrescos.

Anti diarreicos.

Laxantes.

Diuréticos.

Fig. 1.1 Elaboración de jugo de

manzana. [6] Fig. 1.2 Elaboración de vinagre de

manzana. [6]


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Con su pulpa se elaboran:

Dulces.

Jaleas.

Compotas.

Mermeladas.

Y con sus frutos enteros o en trozos:

Escarchados.

Conservas.

Fig. 1.3 Elaboración de compotas de

manzana. [6]

Fig. 1.4 Elaboración de conserva de manzana. [6]


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Las manzanas son frutos del manzano, árboles de la familia de las rosáceas, en la que se

encuentran arbustos salvajes como el endrino, las roscas y árboles como en el almendro y el

cerezo.

El manzano es un árbol perene de hasta 15 metros de alto, tallos grises y ramas jóvenes y

pubescentes. Hojas elíptico-ovales con el envés cubierto por borra, dentadas de hasta 15 cm de

longitud. Flores blancas o rosadas de hasta 5 cm. El fruto (manzana) es un pomo de más de 5

cm de diámetro y variables colores según la especie.

El manzano es un árbol (ver Fig.1.5) originario de oriente formado por hibridación de especies

silvestres. Se puede encontrar en muchas partes del mundo y algunas veces asilvestrado.

En México, la manzana fue introducida en la colonización, a principios del siglo XVII, y

actualmente ocupa un lugar importante. La producción de manzana se realiza en 23 estados de

nuestra nación; sin embargo, solamente 5 concentran más del 80% en la superficie sembrada,

cosechada y rendimiento.

De acuerdo a la forma de consumo se pueden distinguir tres grupos: Manzanas para mesa,

para cocinar, y para la agroindustria (sidra, jugos y deshidratada).

Fig. 1.5 Árbol manzano en su edad madura. [6]


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1.3.1 Propiedades de la manzana

Desde las épocas legendarias se considera que la manzana tiene propiedades curativas. Hoy

en día, la ciencia ha confirmado que esta versátil fruta ayuda a evitar las enfermedades del

corazón, baja el colesterol y contribuye a controlar la presión arterial.

Al mismo tiempo, es efectiva contra la diabetes porque estabiliza el azúcar de la sangre (ver

Fig.1.6). Hay sobras pruebas de que comer una o dos manzanas al día reduce el apetito, lo cual

es buena noticia para quienes quieren bajar de peso. Además la pectina que contiene la

manzana ayuda al cuerpo a eliminar metales nocivos tales como el plomo y el mercurio.

Además, la manzana tiene propiedades anticancerosas, antibacterianas, antivirales y

antiinflamatorias.

Las manzanas contienen así mismo ácido y tartárico, que son especialmente eficaces como

ayuda en la digestión de los alimentos ricos en grasas. La vitamina C que se encuentra en la

manzana ayuda a reforzar el sistema inmunológico.

El simple olor a manzana tiene un efecto relajante y ayuda a bajar la tensión. El azúcar de las

manzanas es mayormente fructuosa.

Contiene fibra, antioxidantes, guercetina, ácido elágico, ácido cafeico, potasio, fósforo, calcio,

hierro, vitamina A, B1, B2, B6, vitamina E, ácido fólico y niacina. La manzana tiene un bajo

contenido de proteínas, grasas y sodio.

Ayuda contra el estreñimiento, por su fibra y contra la diarrea si se ralla y deja oxidar, al

oxidarse la pectina se hace presente. Limpia los dientes al comerla a mordidas, así como

fortalece las encías.

Fig. 1.6 Propiedades y

características de la manzana. [6]


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Las manzanas son ricas en flavonoides y polifenoles. Estos fitoquímicos reducen el proceso

natural de oxidación, que puede causar daños en los tejidos, cáncer, problemas

cardiovasculares y cataratas. Los flavonoides en las manzanas inhiben la formación de placas

arteriales y coágulos, reduciendo los riesgos de enfermedades cardiovasculares.

El consumir diariamente una manzana ayuda al buen funcionamiento del pulmón en personas

de edad avanzada, además tiene efectos favorables y un sinfín de beneficios más para la salud;

en la figura 1.7 se muestran algunos beneficios.

1.3.2 Elección de la manzana

A la hora de elegir manzanas, se deben desechar aquellas con golpes, pudrición, arrugas,

puntos blandos, máculas o manchas, si bien las que tienen algunas máculas más o menos

oscuras o parezcan moteadas pueden estar perfectamente sanas (ver Fig. 1.8). Estas motas

pueden estar extendidas por toda la piel y son una de las características de algunas variedades,

normalmente excelentes para su uso en la cocina.

La madurez de las manzanas se puede comprobar asiéndolas por el centro y aplicándoles una

ligera presión, si la carne es firme o la piel sólo se arruga ligeramente, la manzana está es su

mejor punto de sazón. La pulpa siempre debe ser firme, aromática y no debe resultar harinosa.

En la práctica, es frecuente posponer demasiado el momento de la comercialización. Con ello,

las sustancias de reserva contenidas en la fruta se van agotando y en algunos casos, denotan

una pérdida de sabor, razón por la cual el consumidor queda descontento y desconfía de los

frutos de la cámara.

Una vez en el hogar, si los frutos están sanos se conservan en perfecto estado durante días a

temperatura ambiente. Existen variedades cuya fuerza vital se agota después de 1 o 2

semanas, mientras que otras resisten durante 6 meses o más.

Fig. 1.7 Beneficios de los diferentes tipos de

manzana. [6]


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Si se desean conservar hasta 5-6 semanas, es mejor introducirlas en una bolsa de plástico y

rociarlas cada semana con agua.

1.3.3 Requerimientos de almacenamiento de la manzana

La manzana, al perder agua por evaporación, pierde firmeza, se arruga y su calidad empeora.

Una vez perdida, no se conoce ningún tratamiento práctico para devolver el agua a la manzana,

ni para recuperar su calidad. La fruta pierde humedad a través de los estomas o poros de la piel

(de la manzana).

El aire, a una temperatura dada, puede contener una cantidad máxima de vapor de agua; el

exceso se condesa. A mayor temperatura puede contener mayor cantidad de vapor de agua.

Cuando una masa de aire contiene la máxima cantidad de vapor de agua, se dice que el aire

está saturado. Si la temperatura del aire saturado baja, parte de la humedad se condesa.

En la cámara ocurre que el aire relativamente caliente, en contacto con las manzanas, se carga

de humedad. Asciende. Toca, cerca del techo, los tubos refrigerantes. Se enfría, Se condesa

vapor de agua, apareciendo agua o hielo alrededor de los tubos. Desciende el aire frío. Vuelve

a estar en contacto con las manzanas, donde se calienta y humedece, repitiéndose el ciclo.

Los embalajes a veces sus materiales, absorben en demasía la humedad del aire y por lo tanto

dañan al producto, reforzando la causa anterior de desecación del ambiente.

Existen varios factores que alteran la conservación de la manzana pero a través de estudios se

ha determinado que el principal factor que afecta a la conservación de la manzana es el de

humedad.

Fig. 1.8 Variedades de la manzana. [6]


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Requerimientos y propiedades de almacenamiento para productos perecederos (manzana).

Tabla

1.1

. R

equeri

mie

nto

de a

lmacenam

iento

- 29 -

CAPÍTULO 2

INGENIERÍA

BÁSICA

Si puede medir aquello de lo que habla y expresarlo con un número, entonces sabe algo sobre

lo que habla; pero si no puede medirlo, entonces su conocimiento es magro y poco satisfactorio.

Lord Kelvin

CAPÍTULO 2. INGENIERÍA BÁSICA

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2.1 Importancia y campos de aplicación de la refrigeración.

La refrigeración detiene el crecimiento bacteriano. Las bacterias existen donde quiera en la

naturaleza. Estas están en el suelo, aire, agua y en los alimentos que comemos. Cuando estos

tienen nutrientes (los alimentos), humedad y temperaturas favorables, estas crecen

rápidamente, aumentando el número hasta el punto donde otros tipos de bacterias pueden

causar enfermedades. Las bacterias crecen rápidamente en un rango de temperatura entre 40 y

140 ºF (4.4 ºC y 60 ºC) la “zona de peligro”, algunas duplicándose en número en tan poco

tiempo como en 20 minutos. Un refrigerador puesto a 40 ºF (4.4 ºC) o menos puede proteger la

mayoría de los alimentos.

Existen dos tipos de familias de bacterias completamente diferentes: las bacterias patogénicas,

la clase de bacterias que causan enfermedades transmitidas por alimentos y las bacterias que

deterioran los alimentos, la clase de bacteria que causa que los alimentos se deterioren y

desarrollen olores, sabores y texturas desagradables.

Las bacterias patogénicas pueden crecer rápidamente en la “zona de peligro”, el rango de

temperatura entre 40 y 140 ºF (4.4 ºC a 60 ºC), pero que no generalmente afectan el gusto, olor

ni la apariencia del alimento. En otras palabras, uno no puede decir que los patógenos están

presentes.

Las bacterias que deterioran los alimentos pueden crecer a temperaturas bajas, como las del

refrigerador. Eventualmente estas causan que los alimentos desarrollen malos olores y sabores.

Mucha de la gente no escogería comer alimentos deteriorados, pero sí lo hacen, estos

probablemente no se enfermarán.

Los alimentos alterados pueden resultar muy perjudiciales para la salud del consumidor. La

toxina botulínica, producida por una bacteria, Clostridiumbotulinum, en las conservas más

esterilizadas, embutidos y en otros productos, es una de las substancias más venenosas que se

conocen (miles de veces más toxica que el cianuro). Otras sustancias producidas por el

crecimiento de ciertos mohos son potentes agentes cancerígenos. Existen pues razones

poderosas para evitar la alteración de los alimentos.

A los métodos físicos, como el calentamiento, deshidratación, irradiación o congelación, pueden

asociarse métodos químicos que causen la muerte de los microorganismos o que al menos

eviten su crecimiento.

Típicamente las temperaturas de refrigeración están comprendidas entre el punto de

congelación del alimento (-1 ºC) y menos 10 ºC. Mediante el descenso de la temperatura se

aumenta la vida útil del producto fresco o procesado por la disminución en la proliferación de

microorganismos, las actividades metabólicas de tejidos animales y vegetales, y reacciones

químicas o bioquímicas deteriorantes.


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La mayor parte de los alimentos que deben refrigerarse para su proceso de distribución y venta

son las carnes, los lácteos y carnes frías. La durabilidad de un alimento refrigerado no solo

depende de la temperatura de almacenamiento. La vida útil o de anaquel de los productos

frescos vegetales depende de la variedad, las condiciones del producto al momento de la

cosecha (daño mecánico, contaminación microbiana y grado de madurez por ejemplo) y la

humedad relativa del sistema de almacenamiento.

En los productos procesados, además del tipo de producto que se trate, juega importante papel

en la historia de procesamiento que define el grado de destrucción enzimática y microbiana que

se alcance, higiene de proceso y tipo de empaque.

En general los alimentos son perecederos, por lo que necesitan ciertas condiciones de

tratamiento, conservación y manipulación. Su principal causa de deterioro es el ataque por

diferentes tipos de microorganismos (bacterias, levaduras y mohos).

Esto tiene implicaciones económicas evidentes, tanto para los fabricantes (deterioro de materias

primas y productos elaborados antes de su comercialización, pérdida de la imagen de marca,

etc.) como para distribuidores y consumidores (deterioro de productos después de su

adquisición y antes de su consumo). Se calcula que más de 20% de todos los alimentos

producidos en el mundo se pierden por acción de los microorganismos.

Las técnicas de conservación han permitido que alimentos estacionales sean de consumo

permanente. Para productos frescos o procesados se siguen generalmente las siguientes

operaciones:

2.1.1 Pre tratamiento

Son procedimientos de reducción de carga microbiana. Para el caso de la leche su pre-

enfriamiento para transporte entre finca y planta, así mismo como la pasteurización pueden

considerarse pre tratamientos para refrigerarla.

2.1.2 Enfriamiento

Según el alimento, sea sólido, líquido o semisólido se usan diferentes tipos de enfriadores,

mecanismos de transferencia de calor y velocidades de refrigeración. Para el caso de sólidos se

usan comúnmente enfriadores de ráfaga de aire o inmersión en aspersión del producto con

medios fríos. Para alimentos líquidos se utilizan intercambiadores de calor de placas, película

descendente, superficie raspada o de placas, siendo este último quizá el más común.

2.1.3 Almacenamiento

Normalmente se utilizan cuartos fríos (ver Fig. 2.1) o cavas que mantienen su temperatura con

circulación de aire frio. Este último se enfría con sistemas de refrigeración mecánica que utilizan

ventiladores para mantener un buen flujo de aire. En algunos casos se controla, además de la

temperatura, una composición de la atmosfera (almacenamiento de atmosfera controlada) como

por ejemplo en las manzanas para las que se busca una baja concentración de oxígeno y altas

de gas carbónico y nitrógeno para incrementar su vida de anaquel.


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2.1.4 Transporte refrigerado

La función de este sistema es la de mover el producto entre dos sitios sin que pierda su calidad

manteniendo unas condiciones de temperatura, circulación y composición de la atmosfera del

vehículo en el óptimo para el material trasportado. Estos sistemas están basados en unidades

mecánicas, platos eutécticos o expansión directa de nitrógeno líquido.

2.1.5 Almacenamiento en punto de venta

El producto se deposita en un nuevo cuarto frío que suministra el producto a cabinas o

mostradores refrigerados para ser expuestos al consumidor final.

2.1.6 Refrigeración doméstica

Los refrigeradores caseros operan generalmente con un ciclo mecánico y mantienen una

temperatura de refrigeración entre 6 y 8 ºC.

Fig. 2.1 Cámara frigorífica. [1]


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2.2 Marco teórico

Desde que se descubrió la refrigeración se han ido buscando nuevos y mejores métodos que

sean más eficientes y económicos, los científicos siguen en la búsqueda de mejoras a estos

métodos que ayuden a que esto se pueda lograr, en esta parte del proyecto se hablara un poco

de los diversos tipos de sistemas de refrigeración que existen así como de su funcionamiento y

sus características generales. Además se hará mención de todos los conocimientos que se

requerirán para llevar a cabo el desarrollo de una cámara frigorífica para refrigerar manzana.

2.3 Sistemas de refrigeración

Los denominados sistemas de refrigeración o bien cámaras frigoríficas corresponden a arreglos

mecánicos los cuales utilizan propiedades termodinámicas de la materia para trasladar su

energía térmica en forma de calor entre dos o más cuerpos, según se requiera. Están

diseñados primordialmente para disminuir la temperatura del producto almacenado en cámaras

frigoríficas las cuales pueden contener una gran variedad de productos o compuestos químicos,

conforme a las especificaciones.

En el estudio acabado y diseño de estos sistemas frigoríficos se aplican diversas ciencias, tales

como la química, en las propiedades y composición de los refrigerantes; la termodinámica en el

estudio de las propiedades de la materia y su energía interna; la transferencia de calor en el

estudio de intercambiadores de calor y soluciones técnicas; así como la ingeniería mecánica en

el estudio de compresores de gas para poder lograr el trabajo de compresión requerido. Se han

mencionado estas disciplinas dejando de lado la electricidad, desde los tradicionales

conocimientos en corrientes trifásicas para la alimentación de energía eléctrica de los equipos

hasta conocimientos relativamente avanzados en automatización y PLC, para el control y

automatización que estos sistemas requieren cuando están operando en planta frigorífica.

Los sistemas frigoríficos se diferencian entre sí, conforme su método de inyección del

refrigerante y su configuración constructiva, ambos condicionados por sus parámetros

requeridos o de diseño. De esta manera y haciendo un adecuado balance de masas y energías,

es posible encontrar la solución adecuada a cualquier solicitación frigorífica.

Dentro de los distintos tipos de sistemas de refrigeración que existen se encuentran los

siguientes:

Sistema de refrigeración por absorción.

Sistema de refrigeración magnético.

Sistema de refrigeración mecánico por compresión de vapores.


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2.3.1 Sistema de refrigeración por absorción

Es un medio para extraer calor que aprovecha que ciertas substancias tienen la propiedad de

absorber calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. Este ciclo se realiza mediante un

compresor, en el caso de la absorción, el ciclo se basa físicamente en la capacidad que poseen

algunas substancias, como el bromuro de litio, de absorber a otra substancia, tal como el agua,

en su fase de vapor. Otra posibilidad es emplear el agua como substancia absorbente

(disolvente) y como absorbida (soluto) amoníaco.

Entrando más a detalle, en el ciclo agua-bromuro de litio el agua (refrigerante), en un circuito

abaja presión, se evapora en un intercambiador de calor llamado evaporador, el cual enfría a un

fluido secundario (ver Fig. 2.2), que refrigerara ambientes, espacios o cámaras. Acto seguido el

vapor es absorbido por el bromuro de litio (absorbente) en el absolvedor, produciendo una

solución concentrada. Esta solución pasa al calentador, donde se separan las dos substancias,

el disolvente y el soluto por medio de calor procedente de una fuente externa; el agua vuelve

hacia el evaporador y el bromuro de litio regresa a él absolvedor para repetir nuevamente el

ciclo. Al igual que los sistemas de compresión que utilizan agua en sus procesos

termodinámicos el sistema requiere una torre de enfriamiento para disipar el calor sobrante.

Fig. 2.2 Ciclo de absorción simplificado. [1]


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2.3.2 Sistema de refrigeración magnético

Tenemos un procedimiento para enfriar por debajo de la temperatura ambiente, las etapas se

esquematizan en la figura 2.3.

La parte superior izquierda representa el material que contiene átomos con momento

magnético, representados por flechas. Cada flecha es un imán atómico con polos N-S que está

a temperatura ambiente (representada por el color azul celeste) y apuntando en dirección

aleatoria. Primero aplicamos un campo magnético, simbolizado en la segunda etapa por un

imán de herradura; los momentos magnéticos se alinean con el campo externo y el material se

calienta (simbolizado por el color rojo). A través del contacto térmico con el exterior y

manteniendo el campo externo, el material se enfría hasta la temperatura ambiente (tercera

etapa, de color verde).

Después repentinamente suprimimos el campo magnético; los momentos se desalinean y el

material se enfría. Con esto se alcanza una temperatura más baja que la ambiental (cuarta

etapa color azul rey). El material se pone en contacto térmico con el objeto que queremos

enfriar, simbolizado por un frigorífico. El objeto se enfría y el material se calienta hasta que

ambos logran alcanzar una temperatura de equilibrio, inferior a la anterior que tenía el objeto el

proceso puede repetirse y el resultado es que cada ciclo extrae una cierta cantidad de calor del

frigorífico cediendo calor al exterior, de modo que todas las temperaturas excepto la del objeto

que color verde van disminuyendo paulatinamente.

Fig. 2.3 Ciclo de refrigeración magnética. [1]


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Finalmente se logra alcanzar un valor estable en él la capacidad de refrigeración del material

iguala las fugas de calor desde el exterior hacia el objeto. Las temperaturas del material en

cada etapa están simbolizadas por los termómetros de mercurio de color gris.

Este proceso se denomina desimanación adiabática y se emplea desde 1927 para conseguir

temperaturas extremadamente bajas en laboratorios, cercanas al cero absoluto. Como material

se una sal paramagnética y el procesos solo es eficaz a temperaturas muy bajas porque, a más

altas, los campos necesarios para alinear los momentos contra la agitación térmica serían

enormes, mucho más intensos de lo que se puede conseguir en el laboratorio, incluso con una

bobina superconductora.

2.3.3 Sistema de refrigeración mecánico por compresión de vapores

Este sistema es el más utilizado en la actualidad en nuestro país y es el cual utilizaremos para

llevar a cabo el desarrollo del proyecto por lo cual se dará un enfoque más amplio y detallado

que los sistemas de refrigeración previamente mencionados, esto con el fin de que se

comprenda más y mejor como trabaja y como se hacen los cálculos requeridos para la cámara

frigorífica.

En este sistema se desplaza la energía térmica entre dos focos; creando zonas de alta y de

baja presión confinadas en intercambiadores de calor, mientras estos procesos de

intercambiadores de energía se suceden cuando el fluido refrigerante se encuentra en

procesos de cambio de estado; de líquido a vapor, y viceversa.

Elementos constitutivos del sistema de refrigeración mecánico por compresión de vapores:

Evaporador

Condensador

Compresor

Válvula de expansión

2.3.4 Elementos constitutivos de un sistema de refrigeración

Evaporador: es el que se encarga de absorber el calor hacia el sistema desde cualquier entorno

que se quiera enfriar, este proceso de absorción del calor se consigue manteniendo el serpentín

del evaporador a una temperatura inferior a la del entorno que se va a enfriar.

Condensador: es un dispositivo de intercambio de calor muy parecido al evaporador que se

encarga de expulsar el calor del sistema que ha sido absorbido por el evaporador, este calor se

encuentra en forma de gas caliente que hay que enfriar hasta que se condense.

Compresor: se le considera el corazón del sistema de refrigeración, el término que mejor lo

describe es el de bomba de vapor, lo que hace realmente el compresor es aumentar la presión

desde el nivel de la presión de aspiración hasta el nivel de la presión de la descarga.


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Válvula de expansión: tiene la función de reducir la presión del líquido reduciéndola a través de

una tobera o abertura pequeña, al disminuir la presión del refrigerante permite que entre en

ebullición a una temperatura más baja y convierte el flujo del líquido en una nube densa de

gotas líquidas antes de que entre en el evaporador.

El proceso de refrigeración mecánico por compresión de vapores se logra evaporando un gas

refrigerante en estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un

intercambiador de calor, denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor

latente de vaporización, al absorber calor el líquido refrigerante cambia su estado a vapor.

Durante el cambio de estado el refrigerante absorbe energía térmica del medio en contacto con

el evaporador, bien sea este medio líquido o gaseoso. A esta cantidad de calor contenido en el

ambiente se le denomina carga térmica. Después de este intercambio energético, un compresor

mecánico se encarga de incrementar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de

otro intercambiador de calor conocido como condensador.

En este intercambiador de calor se liberan del sistema frigorífico tanto el calor latente como el

sensible, ambos componentes de la carga térmica. Ya que este aumento de presión además

produce un aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del fluido refrigerante y

producir el subenfriamiento del mismo, es necesario enfriarlo al interior del condensador; esto

suele hacerse por medio de agua o bien aire conforme al tipo de condensador, definido muchas

veces en función del refrigerante. De esta manera, el refrigerante ya en estado líquido puede

evaporarse nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración

por compresión de vapores tal como se muestra en la figura 2.4.

Fig. 2.4 Sistema de refrigeración mecánico

por compresión de vapores. [1]


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2.3.5 Tipos de refrigeración

Existen dos tipos de sistemas de refrigeración, los cuales pueden ser sistema directo o bien

indirecto.

2.3.6 Sistema directo

Sistema directo (vaporización directa): es un sistema directo de la refrigeración útil se realiza

directamente en el evaporador y opera con un solo refrigerante. El fluido refrigerante gana calor

de la carga o producto a enfriar y una vez modificado su estado ya no se vuelve a utilizar, este

es el caso de algunos transportes que utilizan nitrógeno como medio de producción de frio (de

remover el calor).

2.3.7 Sistema indirecto

Sistema indirecto: Es un sistema indirecto de refrigeración, cuando la refrigeración útil se

realiza en el evaporador, solo que en este caso se utilizan dos líquidos refrigerantes, el primario

y el secundario, el secundario puede ser el agua o aire, el cual es enfriado por el refrigerante

primario, es decir, el fluido se recupera con vistas a ser utilizado en un proceso cíclico. Como

características de este método hay que hacer un aporte de energía al sistema y utilizar fluidos

que vaporicen a baja presión.

2.4 Refrigerante

Definición: cuerpo o sustancia que actúa absorbiendo calor de otro cuerpo o substancia.

Desde el punto de vista de la refrigeración mecánica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión.

El agua fue el primer refrigerante, con una larga historia de uso, continuando hasta nuestra época. El aire también es utilizado y considerado como refrigerante en estos días. Con el paso del tiempo, se han hecho mejoras en cuanto a su manejo y almacenamiento, pero aún se utiliza el hielo natural por todo el mundo. El uso histórico y fundamental del hielo, ha sido reconocido en una unidad de refrigeración: la tonelada de refrigeración, la cual se define como la cantidad de calor que se requiere para fundir dos mil libras de hielo en 24 horas. Durante la primera parte del siglo XIX, se desarrollaron máquinas para la compresión de vapor y se probaron muchos fluidos como refrigerantes, entre los que sobresalieron el amoníaco, bióxido de carbono, bióxido de azufre, cloruro de metilo y en cierta medida algunos hidrocarburos.

En la actualidad existe un número muy grande de fluidos refrigerantes fácilmente licuables; sin embargo, sólo unos cuantos son utilizados en la actualidad. Algunos se utilizaron mucho en el pasado, pero se eliminaron debido a la contaminación excesiva que estos producían al medio ambiente y al incursionar otros con ciertas ventajas y características que los hacen más apropiados.


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Los primeros refrigerantes utilizados en la generación de frío eran todos tóxicos o inflamables, o ambas cosas a la vez. Por otra parte, los equipos que los empleaban solían tener frecuentes fugas de refrigerante, principalmente a través de las empaquetaduras de los compresores, que al ser de tipo abierto, suponían un riesgo constante de incendios e intoxicaciones (en la actualidad, el hecho de que la totalidad de los compresores pequeños y bastantes de tamaño medio sean herméticos ha minimizado este problema).

En los años 30 se descubren los derivados clorofluorcarbonados o halocarburos, los cuales debido a sus excelentes propiedades no tóxicas, no flamables y muy estables, experimentaron una rapidísima extensión, desbancando de las instalaciones domésticas a los refrigerantes amoníaco, cloruro de metilo e hidrocarburos que habían sido utilizados hasta el momento.

En 1974 se constata la creciente acumulación de los compuestos CFC y HCFC en la estratosfera estimándose en varias decenas de millones de toneladas la cantidad que hasta el momento ha escapado hacia ella, a la vez que se expone por primera vez la teoría según la cual estas sustancias podrían estar destruyendo la capa de ozono.

Las restricciones en cuanto a la producción y comercialización de productos químicos, los cuales incluyen a los refrigerantes, debido a la creciente y acelerada contaminación del medio ambiente y especialmente del deterioro de la capa de ozono, así como del aumento de la temperatura de la tierra, más conocido como efecto invernadero; son algunas de las medidas tomadas para proteger al planeta de la contaminación, así como de los efectos que puede sufrir la humanidad.

Estas restricciones conllevan a la investigación y fabricación de nuevos productos químicos, como los refrigerantes, los cuales deben de tener características especiales que cumplan con la misión de refrigerar o enfriar determinado ambiente pero a la vez protejan el medio ambiente y al ser humano de los efectos nocivos.

Estos refrigerantes son los ecológicos y se clasifican así:

I. R-134A II. R-404a III. R-407b IV. R-410A

Los gases refrigerantes ecológicos son mezclas azeotrópicas (mezcla de varios tipos de gases naturales) que sustituyen los gases refrigerantes actuales como el R-12, R-11 (CFC), R22, R123 (HCFC), etc.

De acuerdo con el Protocolo de Kioto las economías firmantes se han comprometido a cambiar su gas refrigerante actual por gas refrigerante ecológico con el objetivo de contrarrestar el impacto que el gas refrigerante comúnmente utilizado, causa al ambiente.

2.4.1 Usos y aplicaciones

Equipos de aire acondicionado. Cámaras de refrigeración. Cámaras de congelación.


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2.4.2 Beneficios del producto

Reducen el consumo de energía eléctrica. Del 15% al 30%. No dañan la capa de ozono. No producen efecto invernadero. Compatibles con los sistemas de enfriamiento, refrigeración y congelación actuales. Optimiza el funcionamiento de los equipos aumentando su vida útil. El usuario contribuye de manera activa con la ecología y el cuidado del medio ambiente. Los residuos contaminantes son recuperados y confinados en instalaciones especiales.

2.4.3 Identificación de refrigerantes

Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que significa “refrigerante”. El sistema de identificación ha sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers).

2.4.4 Requerimientos de los refrigerantes

Para que un líquido pueda ser usado como refrigerante, debe de reunir ciertas propiedades, tanto termodinámicas como físicas. El refrigerante ideal, sería aquel que fuera capaz de descargar en el condensador todo el calor que absorba del evaporador, la línea de succión y el compresor. Desafortunadamente, todos los refrigerantes regresan al evaporador arrastrando una cierta porción de calor, reduciendo la capacidad del refrigerante para absorber calor en el lado de baja. Un refrigerante ideal deberá reunir todas las propiedades siguientes.

2.4.5 Propiedades termodinámicas

Son aquellas que tienen relación con el movimiento del calor.

Presión

Las presiones que actúan en un sistema de refrigeración, son extremadamente importantes. En primer término, se debe operar con presiones positivas; es decir, las presiones tanto en el condensador como en el evaporador, deben de ser superiores a la presión atmosférica. Si la presión en el evaporador es negativa, es decir, que se esté trabajando en vacío, hay riesgo de que por una fuga entre aire al sistema. Por esto, el refrigerante debe tener una presión de evaporación lo más baja posible, pero ligeramente superior a la presión atmosférica. Por otra parte, la presión de condensación debe ser lo suficientemente baja, ya que esto determina la robustez del compresor y del condensador. Mientras más alta sea la presión, se requiere un equipo más robusto, y por lo tanto, más caro.

Temperatura

Hay tres temperaturas que son importantes para un refrigerante y que deben ser consideradas al hacer la selección, Estas son: la de ebullición, la crítica y la de congelación. La temperatura de ebullición de un refrigerante, siempre es referida a la presión atmosférica normal de 101.3 kPa (o psig).

Se puede decir, que el punto de ebullición de cualquier líquido, es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la atmosférica. El punto de ebullición de un refrigerante debe ser bajo, para que aun operando a presiones positivas, se pueda tener una temperatura baja en el evaporador.


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Otra temperatura a considerar cuando se selecciona un refrigerante, es la temperatura crítica, sobre todo para el diseño del condensador, ya que ningún vapor se condensa a una temperatura mayor de la crítica, aunque la presión sea muy grande. Por otra parte, la temperatura de congelación de un refrigerante, debe ser más baja que la temperatura del evaporador. No se puede utilizar un refrigerante que se congele a la temperatura de trabajo del evaporador.

Volumen

Cuando se comparan densidades de gases, es común expresarlas en volumen específico. El volumen específico de un refrigerante en fase de vapor, no es otra cosa, que el volumen en metros cúbicos (m^3) o en litros (l) que ocupará un kilogramo de refrigerante a condiciones normales; esto es, a una temperatura de 20°C y a la presión atmosférica de 101.3 kPa. (14.7 psia). En un sistema de refrigeración, al agregar calor al refrigerante, aumenta su temperatura y su volumen específico, pero su presión permanece constante; ya que en el evaporador, en la línea de succión y en el condensador, la temperatura de saturación es lo que controla la presión del vapor sobre calentado. Inversamente, si disminuye la temperatura del refrigerante, disminuye su volumen específico.

Entalpía

Es la propiedad que representa la cantidad total de energía térmica o contenido de calor, en un fluido. Sus unidades son (Kcal /kg). Para la mayoría de los refrigerantes, se considera que su entalpía es cero a una temperatura de saturación de -40°C. Entonces, el calor agregado o sustraído de un refrigerante, desde ese punto, se considera que es su entalpía total.

Densidad

La densidad de un fluido, puede definirse como su peso por unidad de volumen. Las unidades en que se expresa esta propiedad, son comúnmente (kg/m^3) o puede utilizarse también (kg/l).

Los líquidos tienen diferentes valores de peso por metro cúbico o por litro, lo que se conoce como densidad.

La mayoría de los refrigerantes en estado líquido, tienen una densidad más alta que el agua (gravedades específicas arriba de 1.0). La densidad de cada refrigerante varía con la temperatura. Puesto que por regla, los líquidos se expanden al calentarse, su densidad a altas temperaturas es menor que a bajas temperaturas.

Entropía

Al igual que las otras propiedades termodinámicas de los refrigerantes, también se tienen en la tabla valores para el líquido y para el vapor a intervalos de temperaturas. El cambio de entropía es una medida de la energía no disponible, que resulta del cambio de propiedades de un refrigerante.

2.4.6 Propiedades físicas y químicas

Las propiedades físicas y químicas de los refrigerantes, no determinan directamente el calor que un refrigerante puede remover o absorber.


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No debe ser tóxico ni venenoso

Puesto que los refrigerantes son manejados por muchas personas, desde el fabricante, al distribuidor hasta el usuario, no deben representar ningún peligro. La mayoría de los refrigerantes sintéticos (hechos por el hombre, no encontrados en la naturaleza) no son tóxicos, y el riesgo es muy leve o prácticamente inexistente. Sin embargo, hay algunos refrigerantes que son realmente dañinos al hombre, aún en pequeñas concentraciones.

En altas concentraciones en el aire, cualquier refrigerante puede causar asfixia, debido a que desplazan el aire y crean insuficiencia de oxígeno. La magnitud del daño depende de la concentración de refrigerante, su naturaleza y del tiempo que se esté expuesto a él. En muchos países los refrigerantes están bien clasificados de acuerdo a su grado de toxicidad, y también a su grado de inflamabilidad. Organizaciones como Under writer’s, Laboratories, Inc. (UL) y National Board of Fire Underwriter’s (NBFU) en Estados Unidos, han clasificado los refrigerantes de acuerdo a su toxicidad en 6 grupos. Los refrigerantes del grupo 1 son los más tóxicos, y los del grupo 6 son los menos tóxicos.

GRUPO DEFINICIÓN EJEMPLOS

1 Gases o vapores los cuales en concentraciones de 0.5% a 1% con duración de exposición de 5 minutos son letales o producen daños serios.

Bióxido de Azufre (R-764).

2 Gases o vapores los cuales en concentraciones de 0.5% a 1% con duración de exposición de 30 minutos son letales o producen daños serios.

Amoníaco, Bromuro de Metilo.

3 Gases o vapores los cuales en concentraciones de 2% a 2.5% con duración de exposición de 1 hora son letales o producen daños serios.

Tetracloruro de Carbono, Cloroformo y Formato de Metilo.

4 Gases o vapores los cuales en concentraciones de 2% a 2.5% con duración de exposición de 2 horas son letales o producen daños serios.

Dicloroetileno, Cloruro de Metilo y Bromuro de Etilo.

Entre 4 y 5 Clasificados como algo menos tóxicos que el grupo 4.

Cloruro de Metileno, Cloruro de Etilo y R-113.

5a Mucho menos tóxicos que el grupo 4 pero más tóxicos que el grupo 6.

R-11, R-22 y Bióxido de Carbono.

5b Gases o vapores cuyos datos disponibles los clasificarían ya sea en el grupo 5ª o grupo 6.

Etano, Propano y Butano.

Tabla 2.1 Clasificación de refrigerantes por su toxicidad de acuerdo a la UL y a

la NBFU.


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No debe ser explosivo e inflamable

Los refrigerantes varían extremadamente en cuanto a su facultad para arder o soportar la combustión. En E.U. la organización National Refrigeration Safety Code (NRSC), cataloga a los refrigerantes en tres grupos de acuerdo a su grado de flamabilidad o explosividad:

Grupo 1: Los refrigerantes más seguros.

Los refrigerantes en este grupo pueden utilizarse en cantidades mayores en cualquier instalación. Las cantidades permisibles son especificadas por la American Standard Safety Code for Mechanical Refrigeration. Estas cantidades son:

Hasta 9 Kg (20 lb) en cocinas de hospitales. Hasta 23 Kg (50 lb) en concurrencias públicas. Hasta 23 Kg (50 lb) en uso residencial (si se toman precauciones). Hasta 9 Kg (20 lb) en sistemas de aire acondicionado residencial.

Grupo 2: Refrigerantes moderadamente flamables.

Los refrigerantes de este grupo pueden ser ligeramente flamables, independientemente de que sean o no tóxicos. Algunos refrigerantes de este grupo son:

R-717 Amoníaco. R-40 Cloruro de metilo. R-764 Bióxido de azufre.

El amoníaco fue uno de los primeros refrigerantes utilizados, y en la actualidad, se emplea solamente en grandes instalaciones industriales y en algunos refrigeradores de absorción.

Grupo 3. Refrigerantes inflamables.

Los refrigerantes de este grupo forman mezclas de combustibles, cuando se combinan con el aire. Los más comunes son:

R-170 Etano. R-290 Propano. R-600 Butano.

Estos compuestos en la actualidad ya no se utilizan como refrigerantes; por el contrario, debido a su inflamabilidad, algunos de estos refrigerantes, como el R-170, arden tan bien y tan rápidamente, que se usan como combustibles.

No debe tener efecto sobre otros materiales

Los materiales empleados en la construcción de equipos de refrigeración, generalmente no son directamente de interés para el técnico de servicio, puesto que la elección de esos materiales la hacen los fabricantes de equipo. Sin embargo, a continuación se mencionarán los efectos de algunos refrigerantes sobre varios materiales representativos, tales como metales, plásticos y elastómeros.


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- Compatibilidad con Metales. Debe seleccionarse un refrigerante que no tenga ningún efecto sobre los metales. Algunos refrigerantes, afortunadamente muy pocos, bajo ciertas condiciones, tiene efectos corrosivos sobre algunos metales o producen reacciones químicas que forman productos indeseables o contaminantes.

- Compatibilidad con plásticos. La mayoría de los materiales plásticos, no son afectados por los refrigerantes halogenados, por lo que se pueden utilizar en forma satisfactoria en la mayoría de las aplicaciones. Una excepción es el poliestireno, ya que algunos refrigerantes como el R-11 y el R-22, lo disuelven; el R-12 también, pero en menor grado.

- Compatibilidad con elastómeros. Existe una variación considerable, en cuanto a los efectos producidos por los refrigerantes en los elastómeros y hules utilizados, tales como anillos “O”, juntas, sellos, empaques y demás. Esto se debe a que los elastómeros contienen, además del polímero base, plastificantes y otros productos.

Fácil de detectar cuando se fuga

Todos los refrigerantes tienen una tendencia a fugarse, y cuando esto sucede, el refrigerante seleccionado debe ser fácilmente detectable. En la actualidad, esto ya no es una deficiencia en ningún refrigerante, ya que se han desarrollado varios métodos para detectar fugas de cualquier refrigerante. Existen varios factores que determinan la tendencia de los refrigerantes a fugarse. Presión, viscosidad y densidad, son algunos de ellos. Cuando estas características son las mismas para diferentes refrigerantes, el que tiene más tendencia a fugarse, es el de menor peso molecular. El razonamiento de por qué sucede esto, es simple. El refrigerante con mayor peso molecular, tiene moléculas más grandes. Esto significa que por una grieta de cierto tamaño, se fugaría más fácilmente un refrigerante de bajo peso molecular, que uno de mayor peso molecular.

Detección de Fugas

La detección de fugas es un problema continuo, principalmente con los refrigerantes que no tienen olor apreciable, como los halogenados, pero en la actualidad se han mejorado los métodos que facilitan su detección. Por muchos años, el personal de servicio ha usado equipo detector de fugas, al hacerle servicio a sistemas de refrigeración. Los detectores de fugas existen no sólo para señalar fugas en puntos específicos, sino también para monitorear un cuarto de máquinas entero sobre una base continua. Existen varias razones para detectar fugas, como son: conservación de los refrigerantes, protección de equipo valioso, reducción de emisiones a la atmósfera y protección de los empleados.

El método para probar fugas varía con el refrigerante utilizado. Sin embargo, todos los métodos tienen un procedimiento común: aplicar presión al sistema con nitrógeno o bióxido de carbono.


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Tipos de Detectores. Las fugas en los sistemas de refrigeración, son usualmente muy pequeñas. Por lo tanto, los dispositivos detectores deben ser muy sensibles. Los detectores de fugas pueden ubicarse en dos amplias categorías: los que señalan fugas en puntos específicos y los monitores de área. Algunos de los dispositivos comúnmente empleados son: soluciones de burbujas (jabón), lámpara de haluro, detectores electrónicos, tintes fluorescentes y tintes para refrigerantes. Cada método tiene su ventaja.

REFRIGERANTE #

PRUEBA DE

BURBUJA

LÁMPARA DE

HALURO

DETECOR ELECTRÓNICO

TINTES MECHA DE AZUFRE

12 si si si si no

22 si si si si no

30 si si si si no

123 si si si si no

134a si si si si no

170 si no no si no

500 si si si si no

502 si si si si no

717 si no no no si

718 si no no no no

Debe ser Miscible con el Aceite.

La miscibilidad del aceite y el refrigerante, juega un papel muy importante en el diseño de los sistemas de refrigeración. La miscibilidad del aceite con el refrigerante, se puede definir como la capacidad que tienen estos para mezclarse. Aunque la función del aceite es lubricar las partes móviles del compresor, no se puede evitar que algo de aceite se vaya hacia el sistema junto con el refrigerante, aun cuando se cuente con un separador de aceite. Por lo tanto, hay dos partes del sistema donde esta relación es de interés: el cárter del compresor y el evaporador. Esta miscibilidad tiene sus ventajas y desventajas. Las principales ventajas son: la facilidad relativa para retornar el aceite al compresor, y la lubricación de diferentes partes del sistema, como válvulas. Las desventajas son: la dilución del aceite en el cárter del compresor, disminución de la transferencia de calor en el evaporador, falta de lubricación y problemas de control.

Tabla 2.2 Pruebas de fugas recomendadas para algunos refrigerantes.


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No debe reaccionar con la Humedad.

Todos los refrigerantes absorben humedad en cantidades variables. En un sistema de refrigeración, esta cantidad debe mantenerse por debajo del límite máximo permisible, para que pueda operar satisfactoriamente. Por lo tanto, es imperativo que se elimine la humedad de los componentes del sistema durante su manufactura, y que se tomen precauciones para evitar que entre al sistema, durante las operaciones de instalación o de servicio.

Los refrigerantes y los aceites son abastecidos por los fabricantes, con límites muy bajos de humedad. Se debe hacer un gran esfuerzo por mantener la humedad fuera de los sistemas de refrigeración, por dos principales razones:

- El exceso de humedad, como el “agua libre”, puede congelarse a bajas temperaturas y restringir o detener el paso de refrigerante, a través de la válvula de termo expansión o del tubo capilar.

- El exceso de agua puede reaccionar con el refrigerante formando ácidos corrosivos, los cuales causarán atascamientos, corrosión, quemaduras del motocompresor, y en general, deterioro del sistema de refrigeración.

Debe ser un compuesto Estable

En sistemas normales que estén razonablemente limpios y secos, la estabilidad del refrigerante no es un problema. La mayoría de los refrigerantes tienen una estabilidad adecuada para las aplicaciones donde se utilizan.

Código de Colores para los cilindros de Refrigerantes

Los contenedores utilizados para el manejo de refrigerantes ya sea a granel, en tambores, latas o cilindros retornables o desechables, se codifican con algún color. Hace algunas décadas no había unificación de colores por parte de los fabricantes de refrigerantes.

Posteriormente, se estandarizó un código de colores adoptado mundialmente por los fabricantes, aunque no era un método oficialmente reconocido para identificar el contenido del cilindro, como sucedía con otros gases industriales, tales como el nitrógeno, el acetileno, el oxígeno, etc.

El sistema Pantone se basa en una paleta o gama de colores llamadas guía Pantone, las cuales contienen una variedad de colores clasificados en familias y con un nombre Pantone asignado a cada color.


- 47 -

REFRIGERANTE #

COLOR PMS*

R-11 naranja 021

R-12 blanco ---

R-13 azul claro/banda azul obscuro 2975

R-22 Verde 352

R-123 gris claro (plata) 428

R-134a azul claro (celeste) 2975

R-401A (MP-39) rojo-rosado (coral) 177

R-401B (MP-66) amarillo-café (mostaza) 124

R-402A (HP-80) café claro /arena) 461

R-402B (HP-81) verde aceituna 385

R-404-A (HP-62) naranja 021

R-407-C (AC-9000) gris ---

R-500 amarillo 109

R-502 morado claro (orquídea) 251

R-503 azul-verde (acqua) 3068

R-507 (AZ-50) marrón 167

R-717 plata 877

Tabla 2.3 Designación de colores para los refrigerantes.

*Sistema comparativo PANTONE.

* PMS= Predictive Maintenance Sensor (Sensor de Mantenimiento Predictivo)


- 48 -

2.5 Ubicación geográfica

El municipio de Teotihuacán se localiza en la cuenca de México, en el extremo nororiental de la misma y ligeramente en la misma dirección del Distrito Federal.

El valle de Teotihuacán está situado a 45 km., hacia el noroeste de la ciudad de México y a 119 km., de la ciudad de Toluca, dentro del contexto regional, Teotihuacán pertenece a la Región Económica II Zumpango la cual tiene bajo su jurisdicción a 31 municipios de la entidad.

Cuenta con una superficie de 82.65 kilómetros cuadrados; representa el 0.37% del total del territorio del Estado.

El clima que predomina en la región es templado semi-seco, con lluvias en verano. Su temperatura media anual oscila entre los 15.4C, siendo Mayo el mes más cálido con una temperatura máxima de 33.1 grados centígrados.

Los meses con más lluvia son el mes de julio. El período de secas se presenta de noviembre a febrero: la primera helada sucede en octubre y la última en marzo.

La flora del municipio se compone de árboles como: abeto, oyamel, cedro, pino, aile, encino,

pirul, ciprés y eucalipto. También hay variedades frutales: peral, manzano, tejocote, capulín,

durazno, chabacano y ciruelo y algunas plantas silvestres como: tepozán, cactus, vitalla,

organillo, quelites, verdolagas, epazote, té de campo, alfilerillo, árnica, janarul, jarilla, toloache,

mirto, anís, nabo y zacatón.

Fig. 2.5 Ubicación geográfica de Teotihuacán. [9]


- 49 -

2.5.1 Condiciones del sitio

Datos actuales: México City / Licencia

Temperatura Promedio

Velocidad Promedio

Presión Humedad

Punto de rocío

15.4°C

6 km/h

1027hPa

64%

12°C

A continuación se dan las medidas del lugar (espacio o cámara de refrigeración) donde se hará

el diseño del sistema de refrigeración.

8.7 metros de ancho

7.7 metros de largo

7.8 metros de alto

2.6 Uso de la Carta psicrométrica

La carta psicométrica [A] es la representación gráfica de las propiedades de la mezcla de aire

con vapor saturado, con ella se puede analizar gráficamente las propiedades psicométricas y se

facilita la solución de diferentes problemas.

Su utilización es básica en el área de aire acondicionado, aunque también tiene aplicaciones

dentro de la refrigeración.

2.6.1 Composición de la carta psicrométrica

La carta psicométrica muestra la relación entre las propiedades del aire la cuales son:

Temperatura de bulbo seco.

Temperatura de bulbo húmedo.

Temperatura de rocío.

Humedad absoluta o específica.

% de humedad relativa.

Volumen especifico.

Entalpía o calor sensible.

Entalpía o calor latente.

Entalpía o calor total.

Tabla 2.4 Condiciones del sitio


- 50 -

Temperatura de bulbo seco. Es la medida del calor sensible del aire (ver Fig.2.6).

Temperatura de bulbo húmedo ver. Indica la cantidad de calor total contenido en el aire

(Fig. 2.7).

Fig. 2.6 Representación gráfica de las líneas de temperatura de bulbo seco en la

carta psicométrica. [5]

Fig. 2.7 Representación gráfica de las líneas de temperatura de bulbo húmedo en

la carta psicométrica. [5]


- 51 -

Temperatura de rocío. Indica la cantidad de humedad contenida en el aire.

Es la temperatura a la cual se satura cuando se enfría, suponiendo que no hay ni

disminución de humedad (ver Fig.2.8).

Humedad absoluta o específica.

Se le llama humedad absoluta a la cantidad de vapor de agua que contiene el aire seco en

suspensión y se expresa en unidades de masa de agua por cada unidad de masa de aire seco

ver (Fig. 2.9).

Fig. 2.8 Representación gráfica de las líneas de punto de rocío en la carta

psicométrica. [5]

Fig. 2.9 Representación gráfica de las líneas de humedad absoluta en la carta

psicométrica. [5]


- 52 -

% de humedad relativa (ver Fig. 2.10).

Volumen específico. Es el volumen que ocupa la unidad de masa de aire (ver Fig. 2.11).

Fig. 2.10 Representación gráfica de las líneas de humedad relativa en la carta

psicométrica. [5]

Fig. 2.11 Representación gráfica de las líneas de volumen específico en la carta

psicométrica. [5]


- 53 -

Entalpía.

Es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede cambiar con su

entorno. Por ejemplo en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpia del

sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo

de líquido a gas, el cambio de entalpia del sistema es el calor latente, en este caso el de

vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpia por cada grado de

variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante (ver Fig. 2.12).

Entropía.

Es la función de estado que mide el desorden de un sistema físico o químico, y por tanto su

proximidad al equilibrio térmico.

En cualquier transformación que se produce en un sistema aislado, la entropía del mismo

aumenta o permanece constante, pero nunca disminuye. Así, cuando un sistema aislado

alcanza una configuración de entropía máxima, ya no puede experimentar cambios: ha

alcanzado el equilibrio.

En el caso de dos gases puros que no reaccionan químicamente entre sí, que se encuentren

encerrados, la misma presión y temperatura, en ciertos recipientes comunicados por una llave

de paso, al abrir ésta, las moléculas de cada gas comenzarán a pasar de un recipiente a otro,

hasta que sus concentraciones en ambos se igualen. Todo este proceso transcurre sin variación

de presión, temperatura o volumen; no se intercambia en él trabajo alguno, ni existe variación

de energía, pero ésta se ha degradado en la evolución del sistema desde el estado inicial hasta

el final.

Fig. 2.12 Representación gráfica de las líneas de entalpia en la carta psicométrica. [5]


- 54 -

Es decir, el valor energético de un sistema no depende tan sólo de la materia y la energía que

contiene sino de algo más, la entropía, que expresa lo que hay en él de orden o de desorden.

La energía se conserva, pero se va degradando a medida que la entropía del sistema aumenta.

Entalpía o calor sensible.

Es el calentamiento del aire seco. Es la cantidad de calor necesario para que exista un aumento

de temperatura.

Entalpía o calor latente.

Se refiere al cambio de agua en fase líquida a vapor de agua en la humidificación o al proceso

contrario en la des humidificación. Es la cantidad de calor necesario para que exista un cambio

de fase.

Entalpía o calor total.

Es la suma de la entalpia o calor sensible (entalpia de aire seco) y la entalpia o calor latente

(entalpia del vapor de agua) contenido en una mezcla.

Fig. 2.13 Psicrómetro. [2]


- 55 -

2.7 Diagrama de Mollier

Fig. 2.14 Variables en el diagrama de Mollier. [2]

Fig. 2.15 Ciclo termodinámico teórico. [2]


- 56 -

2.8 CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA

Para realizar un proyecto de refrigeración, es necesario, realizar el cálculo adecuado de la

carga térmica que se generara dentro del espacio a refrigerar.

2.8.1 Definición de balance térmico

Para poder determinar la capacidad del equipo que se necesita se debe realizar un balance

térmico que se refiere al desarrollo de cálculos con el objeto de conocer la cantidad de calor que

se debe absorber o transferir en el evaporador, para que un producto, sustancia o espacio

descienda su temperatura en ciertas condiciones. Este cálculo solamente se realizara para

verano por ser la condición crítica.

En general se puede decir que se tienen las siguientes cargas parciales:

1. Carga térmica generada por el producto.

2. Carga térmica generada por transmisión a través de paredes.

3. Carga térmica generada por alumbrado y equipo.

4. Carga térmica generada por infiltración.

5. Carga térmica generada por ocupantes.

6. Carga térmica generada por efecto solar.

2.8.2 Concepto de carga térmica generada por producto.

Al producto es a quien se le debe retirar calor principalmente para que una determinada

sustancia o espacio se mantenga dentro de ciertas condiciones de temperatura y humedad.

Las frutas, vegetales o cualquier producto desprenden determinadas cantidades de calor

durante su vida, además de introducirlas a un espacio refrigerado, se toma en cuenta que estas

se encuentran a una temperatura ambiente o un poco más alta que esta, la cual da como

resultado realizar el abatimiento de su temperatura, hasta llegar a un rango de temperatura para

su conservación.

El producto puede ser, no solamente la sustancia que hay que conservar, si no también algunos

otros materiales que complementan la función de contener y manejar el producto.

Para poder calcular la cantidad de calor es necesario conocer la temperatura a la que se

requiere mantener el producto o espacio.

Para poder determinar la carga por producto se considera lo siguiente:

Tipo de proceso a realizar (enfriamiento, refrigeración, congelación o criogénica).

Tipo de calor a eliminar (calor sensible, calor latente o ambos).


- 57 -

𝑄�̇� = 𝑚 𝐶𝑝 ∆𝑇 (2. 1)

Dónde:

𝑄�̇�= Flujo de calor generado por el producto en un tiempo determinado

𝑚= Masa del producto

𝐶𝑝 =

∆𝑇=

a) Calor sensible.

La temperatura se abate sin que haya un cambio de estado físico en el producto o sustancia.

Este parámetro se puede determinar de la siguiente forma:

𝑞𝑆𝐴 = 𝑚𝑐𝑝𝐴∆……………..……………,… (2. 2)

𝑞𝑆𝐵 = 𝑚𝑐𝑝𝐵∆𝑇 ______________________.__ _ (2. 3)

Dónde:

𝑞𝑆𝐴 =Es la cantidad de calor sensible que hay que eliminar o retirar al producto arriba del punto

de congelación; [𝐵𝑇𝑈]

𝑞𝑆𝐵 =Es la cantidad de calor sensible que hay que eliminar o retirar al producto abajo del punto


𝑚 =Cantidad de masa del producto; [𝑙𝑏]

𝑐𝑝𝐴 =Calor específico arriba del punto de congelación; [𝐵𝑇𝑈

𝑙𝑏 ℉ ]

𝑐𝑝𝐵 =Calor específico abajo del punto de congelación; [𝐵𝑇𝑈

𝑙𝑏 ℉ ]

∆𝑇 = Diferencia de temperaturas entre la temperatura inicial del producto hasta la temperatura

final; [℉]

En la fig. 2.16 se muestra la forma en que la temperatura se abate sin que haya un cambio de

estado físico.


- 58 -

b) Calor latente.

La temperatura se mantiene constante y hay un cambio de estado físico en el producto o

sustancia. La ecuación que define el calor latente es:

𝑞𝐿 = 𝑚𝐻𝐿______________________....____ (2. 4)

Dónde:

𝑞𝐿 = Calor latente de fusión o cambio de estado; [𝐵𝑇𝑈]

𝑚 = Cantidad de masa del producto para el cambio de estado; [𝑙𝑏]

𝐻𝐿 = Calor latente de fusión del producto; [𝐵𝑇𝑈

𝑙𝑏]

En la fig. 2.18 se puede observar como la temperatura se mantiene constante y existe un

cambio de estado físico.

Fig. 2.16 Abatimiento de calor sensible. [3] Fig. 2.17 Calor sensible. [10]

Fig. 2.18 Abatimiento de calor latente. [3]


- 59 -

Existen ocasiones donde se necesita eliminar calor sensible y calor latente al mismo tiempo, por

lo que de esta combinación el resultado será con la ecuación:

−𝑄𝑇𝑂𝑇 = (−𝑞𝑆𝐴) + (−𝑞𝐿) + (−𝑞𝑆𝐵) _______________..__ (2. 5)

Dónde:

𝑞𝑆𝐴 =Es la cantidad de calor sensible que hay que eliminar o retirar al producto arriba del punto


𝑞𝑆𝐵 =Es la cantidad de calor sensible que hay que eliminar o retirar al producto abajo del punto


𝑞𝐿 = Calor latente de fusión o cambio de estado; [𝐵𝑇𝑈]

Lo anterior se puede observar en la fig. 2.20

Fig. 2.19 Calor latente. [10]

Fig. 2.20 Abatimiento de calor

sensible y calor latente. [3]


- 60 -

2.8.3 Concepto de carga térmica generada por transmisión a través de paredes

Este concepto se calcula con el siguiente modelo matemático:

𝑄 = 𝐴𝑈∆𝑇 ______________..._____-____ __ (2. 6)

En el caso particular de la refrigeración, las paredes deben llevar una capa de aislante térmico

de 2 a 3 pulgadas.

Todo elemento que separa a las masas de fluidos a diferentes temperaturas está sujeto a un

paso de calor que va desde el más caliente hacia el más frio y si el medio que los separa es de

material homogéneo, la temperatura va descendiendo en el interior de dicho elemento según

una recta. (Véase figura 2.22).

Fig. 2.22 Transmisión de calor a través de paredes compuestas de un material. [3]

Fig. 2.21 Calor total. [10]


- 61 -

La cantidad de calor que fluye a través de una pared de espesor "𝑒" se calcula de la siguiente

manera:

𝑞 =𝐴

𝑒(𝑇1 − 𝑇2)𝑘 __________________..._____ _ (2. 7)

En donde:

𝑞 = 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜; [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟]

𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛; [𝑓𝑡2]

𝑘 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎; [𝐵𝑇𝑈

𝑓𝑡2. ℉. ℎ𝑟]

𝑒 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑; [𝑖𝑛]

𝑇1 𝑦 𝑇2 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑜𝑠 𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑; [℉]

En el caso del cálculo para el suelo, la temperatura exterior no será la misma, por lo tanto se

deberá de calcular de la siguiente forma:

𝑇𝑒𝑥𝑡 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 =𝑇𝑒𝑥𝑡+𝑇𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜

2 ___________________.. ____ (2. 8)

El coeficiente específico de conductividad térmica (𝑘) es numéricamente igual a la cantidad de

calor que pasa por una placa de material considerando de 1 𝑓𝑡2 de sección por 1 𝑖𝑛. De espesor

cuando existe 1 ℉ de diferencia de temperatura entre sus 2 caras en 1 hora.

Con este conocimiento se podrá calcular la cantidad de calor que se transmite o fluye a través

de las paredes compuestas de un solo material.

a) Conductancia de la capa superficial de aire (Película de aire)

La transferencia de calor a través de cualquier material está relacionada con la resistencia

superficial del aire al flujo de calor y está, se determina según el tipo de superficie (rugosa o

lisa), su posición (vertical u horizontal) y la intensidad de flujo de aire sobre la superficie.

La conductancia de la capa superficial del aire se designa normalmente con la letra 𝑓1 para

superficies exteriores y 𝑓2 para las superficies interiores, se expresa en el sistema métrico en 𝑘𝑐𝑎𝑙

ℎ𝑟.𝑚2.℃ o en el sistema ingles en

𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟.𝑓𝑡2.℉.

Resulta bastante aproximado para la mayoría de los cálculos tomar el valor de 𝑓2 = 1.65 para

paredes interiores casi sin movimiento de aire, y 𝑓1 = 6 para paredes exteriores expuestas a

vientos hasta 24 𝑘𝑚

ℎ𝑟 (15

𝑚𝑖

ℎ𝑟) o en su defecto calcular dichos valores mediante las siguientes

expresiones:


- 62 -

𝑓 = 1.6 + 0.3𝑣 (𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠 𝑙𝑖𝑠𝑎𝑠)

𝑓 = 2.0 + 0.4𝑣 (𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑢𝑔𝑜𝑠𝑎𝑠)

𝑓 = 2.1 + 0.5𝑣 (𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠 𝑚𝑢𝑦 𝑟𝑢𝑔𝑜𝑠𝑎𝑠)

Dónde:

𝑣 = Velocidad del aire; [𝑚𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠

ℎ𝑟]

b) Cálculo de la cantidad de calor que se transmite a través de una pared compuesta de

varios materiales.

𝑄 = 𝑞1 + 𝑞2 + 𝑞3 + 𝑞4 + 𝑞5 __________________..__ (2. 9)

𝑞1 = 𝐴𝑓1(𝑇1 − 𝑇3) → (𝑇1 − 𝑇3) =𝑞1

𝐴𝑓1 ______________._... (2. 10)

𝑞2 =𝐴

𝑒1(𝑇3 − 𝑇4)𝑘1 → (𝑇3 − 𝑇4) =

𝑞2𝑒2

𝐴𝑘1 ___________._____ (2. 11)

𝑞3 =𝐴

𝑒2(𝑇4 − 𝑇5)𝑘2 → (𝑇4 − 𝑇5) =

𝑞3𝑒2

𝐴𝑘2 ______.__________ (2. 12)

𝑞4 =𝐴

𝑒3(𝑇5 − 𝑇6)𝑘3 → (𝑇5 − 𝑇6) =

𝑞4𝑒3

𝐴𝑘3 _____________.___ (2. 13)

𝑞5 = 𝐴𝑓2(𝑇6 − 𝑇2) → (𝑇6 − 𝑇2) =𝑞5

𝐴𝑓2 ______..____..__.__ (2. 14)

Fig. 2.23 Transmisión de calor a través de una pared compuesta por varios materiales. [3]


- 63 -

(𝑇1 − 𝑇2) =𝑄

𝐴[

1

𝑓1+

𝑒1

𝑘1+

𝑒2

𝑘2+

𝑒3

𝑘3+

1

𝑓2] __________________ (2. 15)

c) Coeficiente de conductividad térmica total.

La siguiente expresión permite el cálculo de la cantidad de calor que se transmite a través de

una pared compuesta de dos o más materiales que separan a dos fluidos que se encuentran a

diferentes temperaturas.

𝑄 = 𝐴(𝑇1 − 𝑇2)𝑈 ___---------………------…...…__ (2. 16)

(𝑈) =1

[1

𝑓1+

𝑒1𝑘1

+𝑒2𝑘2

+𝑒3𝑘3

+𝑒4𝑘4

+1

𝑓2] _____----.__ (2. 17)

En donde:

𝑄 = Calor transferido; [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟 ] ; [

𝑘𝑐𝑎𝑙

ℎ𝑟 ]

𝐴 = Área expuesta al flujo de calor; [𝑓𝑡2] ; [𝑚2]

𝑈 = Coeficiente de conductividad térmica total; [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟.𝑓𝑡2.℉ ] ; [

𝑘𝑐𝑎𝑙

ℎ𝑟.𝑚2.℃]

∆𝑇 = Diferencia de temperaturas entre el lado exterior y el interior; [℉ ] ; [ ℃]

2.8.4 Concepto de la carga térmica generada por alumbrado y equipo.

En los sistemas de refrigeración existen equipos de alumbrad que ceden energía calorífica al

medio enfriado en el momento de operar. La cantidad de calor que eso cede se obtiene

directamente de la potencia térmica, esto es:

𝑄𝐴𝑙𝑢𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑦 𝐸𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 = 𝑄𝐴𝑙𝑢𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜 + 𝑄𝐸𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 ; [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 18)

Todos los sistemas de iluminación, ya sea incandescentes o fluorescentes básicamente,

transforman la energía eléctrica que reciben, para su operación, en calor; el cual desprende en

su totalidad y se disipa en el interior del espacio que se desea refrigerar, por lo tanto, el

siguiente modelo matemático nos permite calcular la ganancia de calor generado por

alumbrado.

𝑄𝐴𝑙𝑢𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜 = (𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑠)(𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑙á𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎)(3.415); [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 19)

Como sabemos todas las maquinas son accionadas por motores eléctricos que emplean parte

de su energía consumida en vencer rozamientos que a su vez se transforman en calor.


- 64 -

El calor cedido al espacio con los motores y sus máquinas conducidas afectan a dicho medio de

tres maneras:

1. Si el motor y la máquina se encuentran en el interior del espacio enfriado, el calor cedido

será igual al de la siguiente expresión:

𝑄𝐸𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 =𝑁

𝜂(746)(3.415); [

𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 20)

2. Si el motor está fuera del espacio y la maquina en el interior del espacio, el calor

desarrollado está dado por

𝑄𝐸𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 = 𝑁(746)(3.415); [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 21)

3. Si el motor está dentro del espacio y la maquina fuera, el calor emitido será:

𝑄𝐸𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 = [𝑁

𝜂− 𝑁] (746)(3.415); [

𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 22)

Dónde:

𝑁 = Potencia del motor; [𝐻𝑃]

𝜂 = Rendimiento del motor eléctrico; [%]

746 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 = [1 𝐻𝑃]

3.415 𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟 = [1 𝑊𝑎𝑡𝑡]

2.8.5 Concepto de la carga térmica generada por infiltración.

El concepto de infiltración representa una transmisión de calor originado por la entrada de aire

exterior (a la temperatura del medio ambiente) al interior del espacio refrigerado. Esta carga

térmica es ocasionada en el momento de apertura de puertas, ventanas u otro medio que

influya en la comunicación con el exterior.

El procedimiento de cálculo para este punto se basa en considerar de que el aire interior del

espacio se cambiara un determinado número de veces por hora, a este se le llama número de

cambios de aire (CA) y se maneja en un intervalo de una hora. El número de cambios está en

función directa del volumen total del espacio refrigerado, por lo tanto distingamos dos grupos:

Espacios con volúmenes altos (más de 200 𝑓𝑡3)

Espacios con volúmenes bajos (menos de 200 𝑓𝑡3)


- 65 -

Cuando se trata de volúmenes bajos, la cantidad de calor por este concepto se determina de la

siguiente manera:

Método por apertura de puertas (para refrigeración).

Para congeladores o diseños más bajo a esta condición se consideran 2.1 CA.

Para refrigeradores o instalaciones equivalentes con temperaturas iguales o superiores de

refrigeración, se considera 4.2 CA.

Si se tiene instalaciones de uso pesado de debe multiplicar el valor de los cambios de aire por

2. Para el caso de almacenamiento con uso prolongado el valor de cambio de aire se multiplica

por 0.6.

El calor a eliminar en el aire se obtendrá (para el caso del método de apertura de puertas) a

partir de la carta psicométrica, de aquí se toman los valores de la entalpía total del aire exterior

correspondiente al valor de su volumen específico y del mismo modo para el aire interior, la

ecuación que define la cantidad de calor del aire en función de la magnitud será:

𝑄𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑡 =𝑉𝑖𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜

�̅�𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟𝐻

𝑇 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 ; [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 23)

𝑄𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑥𝑡 =𝑉𝑖𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜

�̅�𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟𝐻

𝑇 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 ; [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 24)

Entonces el calor infiltrado es:

𝑄𝑖𝑛𝑓 = 𝑄𝑒𝑥𝑡 − 𝑄𝑖𝑛𝑡 ; [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 25)

2.8.6 Concepto de la carga térmica generada por ocupantes.

El cuerpo humano al desarrollar cualquier actividad está desprendiendo calor, aun cuando no

realice actividad física, el simple hecho de que su organismo trabaje para mantenerlo vivo es

suficiente para que se libere calor. La energía calorífica cedida por los ocupantes está en

función directa de la actividad que desarrolle en el interior del espacio.

Existen valores determinados, para ciertas actividades que se pueden desarrollar en el área a

tratar, los cuales se localizan para su uso práctico en tablas. Los valores que se muestran en

estas tablas como el equivalente del calor por persona (ECPP) es la suma del calor sensible

más su correspondiente calor latente.

Para calcular la carga térmica cedida por los ocupantes basta con identificar el equivalente de

calor por persona en la tabla, de acuerdo con la temperatura interior del espacio, y multiplicarlo

por el número de ocupantes.


- 66 -

𝑄𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 = (𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠)(𝐸𝐶𝑃𝑃); [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 26)

En donde:

𝐸𝐶𝐶𝑃 = Equivalente de calor por persona.

2.8.7 Concepto de la carga térmica generada por el efecto solar.

Este cálculo se debe a la incidencia de los rayos solares y se calcula exclusivamente para las

paredes o superficies afectadas en la hora crítica y únicamente en verano. Los rayos solares al

incidir sobre la superficie de un espacio refrigerado originan el calentamiento de estos, lo cual

implica el paso del calor al interior del espacio. El efecto solar está relacionado con las

siguientes características:

Rugosidad de la superficie en la que incide.

El ángulo de incidencia e intensidad de los rayos solares.

La constante proporcional del color de superficie.

Las características anteriores afectan la refracción de la radiación solar, lo cual puede ocasionar

un aumento en la refracción de la radiación solar, lo cual puede ocasionar un aumento en la

ganancia de calor en el interior del espacio por este concepto. Para el cálculo de la radiación

solar, la cual varía con la situación geográfica y la altura sobre el nivel del mar, se puede

calcular suponiendo que el medio ambiente exterior tiene una temperatura superior a la real y

se puede obtener mediante la expresión matemática general de la transmisión de calor:

𝑄 = 𝐴𝑈∆𝑇´ ; [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 27)

∆𝑇´ = 𝑇𝑒𝑥𝑡 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 − 𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 ; [℉] (2. 28)

𝑇𝑒𝑥𝑡 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 = 𝑇𝑒𝑥𝑡 + ∆𝑇𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎𝑠 ; [℉] (2. 29)

∆𝑇𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎𝑠 Se obtiene considerando el calor y orientación de la superficie afectada.

2.8.8 Concepto de la carga térmica total.

Después de realizar los cálculos anteriores se procede a efectuar la suma de cada punto

calculado, a fin de obtener la carga térmica total y de esta forma poder conocer la cantidad de

calor que deberá retirarse a nuestro espacio y/o producto a refrigerar.

Entonces tenemos que:

Carga térmica generada por el producto.

Carga térmica generada por transmisión a través de paredes.

Carga térmica generada por alumbrado y equipo.


- 67 -

Carga térmica generada por infiltración.

Carga térmica generada por ocupantes.

Carga térmica generada por efecto solar.

Por lo tanto:

𝑄𝑇 = 𝑄𝑝𝑟𝑜𝑑. + 𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠. 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠 + 𝑄𝑎𝑙𝑢𝑚𝑏. 𝑦 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 + 𝑄𝑖𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡. + 𝑄𝑜𝑐𝑢𝑝. + 𝑄𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟; [𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑟] (2. 30)

CAPÍTULO 3. INGENIERÍA DE PROYECTO

- 68 -

CAPÍTULO 3

INGENIERÍA DE

PROYECTO


- 69 -

3.1 Datos de diseño

Son los datos necesarios que se utilizaran para el cálculo y diseño de la cámara frigorífica y

como datos de diseño se tiene:

El proyecto se realizará en la ciudad de Teotihuacán, México:

El municipio de Teotihuacán se localiza en el estado de México perteneciendo a la región

económica II de Zumpango.

El clima de la región se menciona en la tabla 3.1 que se localizó en el ANEXO B ubicado en la

región de Texcoco.

Teotihuacán, Estado de México

Altitud 2,290 msnm

Humedad relativa 64%

Temperatura de bulbo húmedo 65.2 °F

Temperatura de bulbo seco 98.0 °F

Temperatura máxima exterior 33.1 °F

Velocidad exterior del aire 3.73 mph

Para este proyecto se refrigeraran la cantidad de 61 toneladas de manzana para consumo de

tipo local, se llegó a esta cantidad tomando en cuenta que la población del municipio de

Teotihuacán de acuerdo al censo realizado por el INEGI en el 2010 ANEXO C tiene una

población aproximada de 53,010 de habitantes y que, según estadísticas, en México se

consumen 5.5 kg de manzana al año por persona, entonces se tiene que en total en el

municipio de Teotihuacán edo. De México es:

(53,010 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠) (5.5 𝑘𝑔

𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜) = 291,555

𝑘𝑔

𝑎ñ𝑜

Por un tiempo de vida de la manzana de 2 a 6 meses como máximo obteniendo este dato del

manual ASHRAE en requerimientos y propiedades de almacenamiento para productos

perecederos ubicado en el ANEXO D con un promedio de 2.5 meses de almacenaje del

producto para consumo local y sus alrededores cercanos.

( 291,555 𝑘𝑔

𝑎ñ𝑜) (

1 𝑎ñ𝑜

12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠) = 24,296.25

𝑘𝑔

𝑚𝑒𝑠

Tabla 3.1 Condiciones climáticas y geográficas de Teotihuacán, estado de

México.


- 70 -

( 24,296.25 𝑘𝑔

𝑚𝑒𝑠 ) (2.5 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠) = 60,740 𝑘𝑔 ≈ 61 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠

Teniendo en consideración las características de la manzana que se mencionan en la tabla 3.2.

Características de la manzana

Cantidad 61 toneladas

Temperatura de entrada 35 °F

Temperatura de almacenamiento 32°F

Tiempo de almacenaje 2.5 meses

Calor específico arriba del punto de congelación 0.87 BTU/lb-°F

Calor específico abajo del punto de congelación 0.45 BTU/lb-°F

Calor latente de fusión 121 BTU/lb

Punto de congelación 29.3 °F

Humedad relativa del producto 90%

3.2 Dimensionamiento del espacio

Todas y cada una de las cámaras frigoríficas tienen un dimensionamiento basándose en el tipo

de producto y la cantidad de este; además se debe tomar en cuenta que debe tener el producto

una holgura para poder moverse por adentro de la cámara frigorífica, ya sea caminando o en

alguna grúa para transportar el producto.

Esta cámara será diseñada para almacenar 61 toneladas de manzanas; estas serán

empaquetadas en cajas de cartón de:

(20.5 × 12.5 × 13.5)𝑖𝑛 = 3459.4 𝑖𝑛3 ≈ 2𝑓𝑡3 por caja

Estas medidas son establecidas por la norma de ASHRAE ANEXO E y se muestran en la

siguiente figura 3.1.

Tabla 3.2 Características de la manzana.


- 71 -

Y en su interior contienen aproximadamente 20 kg; se colocará en tarimas de 10 camas

apiladas y cada cama está hecha de 5 cajas, por lo que se tendrá 50 cajas por tarima, lo que en

total se tendría un volumen en producto con cajas de:

(2 𝑓𝑡3 )(50 𝑐𝑎𝑗𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑚𝑎)(50 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑚𝑎𝑠) = 5000 𝑓𝑡3

Ahora bien ya se tiene el volumen total del producto, pero debemos dejar un espacio para poder

manipular el producto y poder transitar en la cámara cuando haya que sacar el producto.

Tomando en cuenta que un montacargas tiene un área de 7.6 pies de largo por 4.6 pies de

ancho, se dará 3.5 pies más en cada pasillo para que este pueda correr con facilidad y holgura.

Esto es que la carga se dividirá en islas de 2 tarimas por 5 y de 3 tarimas por 5 así como se

muestra en la siguiente figura 3.2:

Fig. 3.1 Medidas de la caja de almacenamiento.


- 72 -

Y en el techo otros 3 pies. Lo que tenemos un volumen total de:

(3.5 𝑓𝑡 × 3 𝑝𝑎𝑠𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠 ) + (3.6𝑓𝑡 𝑑𝑒 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑚𝑎 × 5 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑚𝑎𝑠 ) = 28.5 𝑓𝑡 de ancho la

cámara.

(3.5 𝑓𝑡 × 2 𝑝𝑎𝑠𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠 ) + (3.6𝑓𝑡 𝑑𝑒 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑚𝑎 × 5 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑚𝑎𝑠 ) = 25 𝑓𝑡 de profundidad de

la cámara.

3 𝑓𝑡 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 + (11.25 𝑓𝑡 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 × 2 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑚𝑎𝑠 𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠) = 25.5 𝑓𝑡 de alto de cámara.

Entonces el volumen total será de:

(28.5 𝑓𝑡)(25 𝑓𝑡)(25.5 𝑓𝑡) = 18,169 𝑓𝑡3

3.3 Balance Térmico

Para saber cuál es la carga térmica total a abatir de él espacio, es necesario realizar el cálculo

del balance térmico, este servirá para saber cuánto calor ganara el espacio, este calor es

generado por el producto que se almacena en la cámara, los ocupantes que hay dentro de esta,

el alumbrado y el equipo, la transferencia de calor a través de las paredes y la infiltración, de

todo lo anterior se obtendrá la capacidad de los equipos que se necesitan para esta cámara

frigorífica.

1.- Carga térmica generada por el producto 𝑄�̇� siendo la ecuación 2.1.

𝑄�̇� = 𝑚 𝐶𝑝 ∆𝑇

Tomando en cuenta que tenemos un flujo másico de 0.8133 toneladas de manzanas por día:

0.8133 𝑡𝑜𝑛 ×1000𝑘𝑔

1 𝑡𝑜𝑛 ×

2.209 𝑙𝑏

1 𝑘𝑔= 1796 .58 𝑙𝑏

ANEXO F

𝐶𝑝 𝑚𝑎𝑛𝑧𝑎𝑛𝑎 = 0.86 𝐵𝑇𝑈

𝑙𝑏 °𝐹 de tablas.

Sustituyendo 𝐶𝑝 𝑚𝑎𝑛𝑧𝑎𝑛𝑎 en la ecuación 2.1:


- 73 -

𝑄�̇� = (1796 .58 𝑙𝑏) (0.86𝐵𝑇𝑈

𝑙𝑏 °𝐹) (35 − 32)°𝐹 = 4635.1764 𝐵𝑇𝑈

Ahora considerando que el calor 𝑄𝑝 se abatirá en 24 horas:

2.- Carga generada por transmisión de paredes.


- 74 -

Conclusiones


- 75 -

Referencias Bibliográficas

[1] Hernández Goribar Eduardo. (2009). Fundamentos de aire acondicionado y

refrigeración. México: Limusa.

[2] Kurt C. Rolle. (2006). Termodinámica. México: Pearson Prentice Hall.

[3] Juan Antonio Ramírez. (2007). Refrigeración. México: CEAC.

[4] Juan Manuel Franco lijó. (2006). Manual de refrigeración. México: Reverte.

[5] Handbook Ashrae. (2009). Ashrae.

Referencias Electrónicas

[6] URL:(http://www.botanical-online.com/medicinalsmalusdomestica.html).

[7] URL:(http://circuit-racebars.blogspot.mx/2014/02/tipos-de-refrigerantes-de-motores.html).

[8] URL:(http://www.climasmonterrey.com/propiedades-fisicas-y-quimicas-de-los-

refrigerantes).

[9] URL:(http://www.elclima.com.mx/teotihuacan.html).

[10] URL:(http://www.geocities.ws/saladefisica8/termologia/latente20.gif).


- 76 -

GLOSARIO

1.- Btu.

Es la cantidad de calor requerida para elevar 1˚ F la temperatura de 1 lb-m de agua a 39˚ F.

2.- Caloría.

La cantidad de calor requerida para elevar 1˚ C la temperatura de un gramo de agua, cuando el

agua está a 4˚C.

3.- Ciclo.

Es una combinación de dos o más procesos que, cuando se completan, regresan el sistema a

su estado inicial.

4.- Gas Ideal.

Es aquella que se “comporta” siempre de una misma manera, siguiendo una ley: La ecuación

de los gases ideales. Se define técnicamente como el comportamiento limitante al que tienden

todos los gases cuando su presión tiende a cero.

5.- Masa.

Es la medida de su cantidad de materia de un sistema u objeto que ocupa un lugar en el

espacio.

6.- Peso.

Es la fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre un sistema u objeto debido a la gravedad.

7.- Proceso isentrópico.

En este proceso el cambio de entropía es cero, o sea, en dicho proceso la entropía es

constante.

8.- Reversibilidad.

Cuando el sistema y sus alrededores pueden regresar en sentido inverso a su condición

incondicional su poder producir ningún cambio en el resto del universo.


- 77 -

ANEXO A

[A]

Cart

a p

sic

rom

étr

ica

a t

em

pera

tura

s n

orm

ale

s y

pre

sió

n b

aro

mé

tric

a d

e 1

01

.32

5 K

pa (

al n

ive

l d

el m

ar)


- 78 -

ANEXO B


- 79 -

ANEXO C


- 80 -

ANEXO D


- 81 -

ANEXO F

Documents

Diseño y cálculo de un sistema de refrigeración en Teotihuacan Estado de México