INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 1 ESCUELA DE I NGENI ER A MECNI CA 2011 DI SEO Y SELECCI N DE UN TANQUE DE REFRI GERACI N DE LECHE Realizado por:Byron Bermeo 5571 Wilinton Ortiz 5534 Ivn Yaguana 5481 R E F R IGE R AC I NINGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 2 CONTENIDO 1.GENERALIDADES 1.1. Introduccin 1.2. Justificacin 2.OBJETIVOS 2.1. Objetivo General 2.2. Objetivo Especfico 3.MARCO TERICO 3.1. Antecedentes 3.2. Microbiologa De La Leche 3.3. Propiedades De La Leche 3.4. Propiedades Fsicas De La Leche 3.5. Tratamientos De La Leche 3.5.1.Enfriamiento 3.6. Tanque reservorio de leche 3.6.1.Caracterististicas 3.6.2.Tipos de tanque de leche 3.6.3.Descripcin de un tanque de leche 3.7. Preenfriado de la leche 3.8. Temperatura de enfriado 3.9. Otros usos de un tanque de leche 4.SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO 4.1. Sistemas de fro modernos 4.1.1.Ciclo de enfriamientos 4.2. Enfriamiento de expansin directa 4.3. Enfriamiento con banco de hielo 5.METODO DE DISEO EMPLEADO 5.1. Enfriamiento de expansin directa 5.1.1.Refrigeracin por compresin mecnica6.DISEO METODOLGICO 6.1. Desarrollo de clculos del diseo del tanque6.1.1.Datos requeridos 6.2. Clculo del flujo msico 6.3. Carga trmica del sistema de refrigeracinINGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 3 6.3.1.Carga trmica por producto 6.4. Clculo de perdidas continuas en las paredes del cilindro 6.4.1.Clculo del numero de Reynolds6.4.2.Clculo del rea interna y externa del cilindro 6.4.3.Clculo de resistencias 6.4.4.Clculo del coeficiente global de transferencia de calor 6.4.5.Clculo de Q en el cilindro 6.5. Clculo de prdidas continuas en las tapas 6.5.1.Clculo del rea 6.5.2.Clculo de las resistencias 6.5.3.Clculo del coeficiente global de transferencia de calor6.5.4.Clculo de Q en la tapa 6.6. Clculo del coeficiente global total de transferencia de calor 6.7. Calor total del tanque 6.8. Transferencia de calor por Radiacin y Conveccin 6.9. Calor total que fluye en el entorno 6.10.Clculo de LMTD 6.11.Coeficiente interno de transferencia de calor por conveccin 7.CLCULOS Y DISEO DEL SERPENTN 7.1. Clculos de resistencias en la tubera del serpentn 7.2. Clculo del coeficiente global de transferencia de calor (Uo) 7.3. Clculo de la longitud del serpentn 8.ANLISIS TERMODINMICO DEL REFRIGERANTE 8.1. Proceso de cambio de fase del refrigerante en el evaporador 8.2. Clculo de la temperatura de evaporacin 8.3. Clculo de la masa del refrigerante 8.4. Calor retirado por el refrigerante 9.BALANCE ENERGTICO 9.1. Balance de energa en el evaporador 9.2. Calculo de h3 en la vlvula de expansin 9.3. Balance de energa en el condensador 9.4. Balance de energa en el compresor 9.5. Clculo de QH 10. COEFICIENTE DE PERFOMANCE INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 4 10.1.Calculodelaeficienciadelrefrigeradordelsistemade transferencia de calor (COP) 11. CALCULO DE LA POTENCIA MECNICA DEL COMPRESOR 12. SELECCIN DE EQUIPOS 12.1.Seleccin del compresor 12.2.Seleccin de la unidad Condensadora 12.3.Seleccin de la vlvula de expansin 12.4.Seleccin del distribuidor refrigerante 13. CONCLUSIONES14. RECOMENDACIONES 15. BIBLIOGRAFA ANEXOS INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 5 1.GENERALIDADES 1.1.Introduccin. La calidad microbiolgica de las leches crudas depende en gran medida de su cargabacteriana inicialydeltiempoquetardeenaplicarselacadena defro, losmicroorganismossonresponsablesdediversoscambiosfsicosy organolpticos que se producen en la leche cruda, el nico medio de prolongar lavidatildelalechecrudamanteniendosuscaractersticasoriginaleses previniendo inhibiendoelcrecimiento de lasbacterias lcticascausantesde la acidificacin de la leche, es a travs del enfriamiento. Debido a que la leche esunmediodecrecimientoidealparalasbacterias,estadebeenfriarsetan rpidocomoseaposible.Elcrecimientodelasbacteriasacidolcticasenla lecheesposibleinhibirlasutilizandolacadenadefrodesdeelsitiode produccinlechera,atravsdeunsistemaprctico,eficiente,econmicoy ajustado a los pequeos volmenes de produccin. 1.2.Justificacin. DebidoaunagrandemandadelconsumodeLecheenestaciudadyenlos cantonesaledaosalamisma,dedonde,elproductoestradodesdelas zonasagropecuariasdelsectorruralparaserdistribuidoengrandes cantidades,esnecesarioeldiseoylaconstruccindetanquesde conservacin, el cual abarque una gran cantidad del producto para poder evitarprdidas por su descomposicin. Estetanquedeberserdiseadoconlosestndaresdecalidadestablecidos paradichoproyecto,loscualesseirnincorporandoenelclculodelos componentesdeestetanquedealmacenamientoparalaconservacinde leche. 2.OBJETIVOS. 2.1.Objetivo general. Disearyevaluarunequipoderefrigeracindelechecrudaparasu utilizacinenelsitiodeproduccin,ajustadoalascondicionesde produccin lechera 2.2.Objetivo especifico. Conocerlosfundamentosdelateoradelarefrigeracinmecnicapor mediodelacompresindevapor,loscomponentesdelciclode refrigeracinyelfuncionamientobsicoparapodertenerunbuencriterio tcnico en la seleccin de equipos para el enfriamiento de leche. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 6 Determinar la operabilidad, eficiencia y eficacia del equipo, con el nimo de cuantificar y validar su desempeo. 3.MARCO TERICO 3.1.Antecedentes La temperatura es un factor importante en el mantenimiento de la calidad de los alimentos,ascomodelconfortdepersonasyanimales.Enestetemanos referiremosalaconservacinde lecheentanquesderefrigeracin, indicando cules son las posibles ganancias o prdidas de calor (cargas trmicas) que se producen en las mismas. Larefrigeracincomosistemadeconservacinalimentaria,especialmentede lalechecrudanoesuntemanuevo.Laindustrialcteatienedefinidalas condicionesdeconservacindesusmateriasprimasatravsdetanquesde almacenamientoscondoblepared(enchaquetados),entrelascualessehace fluiraguacontemperaturadeentre2y4C,laqueportransferenciatrmica mantiene la leche almacenada en condiciones ptimas de conservacin. 3.2.Microbiologa de la leche Lamicrobiologa est estrechamente relacionada con todos los sectores de la industria lechera. Los principios microbiolgicos son la base de las tcnicas de produccinhiginicadelaleche,dirigenmuchosdelostratamientosparasu transformacin industrial y son el fundamento de los mtodos de conservacin delosproductoslcteos.Lacalidaddelalecheylosproductoslcteos dependeengranpartedesumicrobiologa.Unaspectofundamentaldela calidad de la leche es su flora microbiana. Desdeelpuntodevistacuantitativo,seconsideraquelaslechesconbajo nivelesdepoblacinsondemejorcalidad.Ademsdelnmero,eltipode microorganismospresentesenlalechetambininfluyetantoenelaspecto higinicocomoeneldelatransformacin.Laleche,ademsdeteneruna composicin qumica adecuada, tiene que ser de buena calidad higinica; ste es un aspecto esencial para la salud pblica, para la calidad de los productos lcteosyparaquelalechepuedasometersealosdistintostratamientos tecnolgicos (Walstra 2001). 3.3.Propiedades de la leche Caractersticas organolpticas. Aspecto: Lalechefrescaesdecolorblancoaporcelanada,presentaunacierta coloracincremacuandoesmuyricaengrasa.Lalechedescremadaomuy pobre en contenido graso presenta un blanco con ligero tono azulado. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 7 Olor: Cuandolalecheesfrescacasinotieneunolorcaracterstico,peroadquiere conmuchafacilidadelaromadelosrecipientesenlosquese laguarda; una pequeaacidificacinyaledaunolorespecialaligualqueciertos contaminantes. Sabor: Lalechefrescatieneunsaborligeramentedulce,dadoporsucontenidode lactosa. Por contacto, puede adquirir fcilmente el sabor de hierbas. 3.4.Propiedades fsicas de la leche Densidad: Ladensidaddelalechepuedefluctuarentre1.028a1.034g/cm3auna temperatura de 15C; su variacin con la temperatura es 0.0002 g/cm3 por cada grado de temperatura. Ladensidaddelalechevaraentrelosvaloresdadossegnseala composicindelaleche,puesdependedelacombinacindedensidadesde sus componentes, que son los siguientes:Agua:1.000 g/cm3. Grasa:0.931 g/cm3. Protenas:1.346 g/cm3. Lactosa:1.666 g/cm3. Minerales:5.500 g/cm3. Ladensidadmencionada(entre1.028y1.034g/cm3)esparaunaleche entera, pues la leche descremada esta por encima de esos valores (alrededor de1.036g/cm3),mientrasqueunalecheaguadatendrvaloresmenoresde 1.028 g/cm3. PH de la leche: La leche es de caracterstica cercana a la neutra. Su pH puede variar entre 6.5 y 6.65 ValoresdistintosdepHseproducenpordeficienteestadosanitariodela glndulamamaria,porlacantidaddeCO2disuelto;poreldesarrollode microorganismos, que desdoblan o convierten la lactosa en cido lctico; o por la accin de microorganismos alcalinizantes. Acidez de la leche: Una lechefrescaposee una acidez de 0.15 a0.16%.Estaacidezsedebeen un40%alaneotrica,otro40%alaportedelaacidezdelassustancias minerales,CO2disueltoyacidezorgnicos;el20%restantesedebealas reacciones secundarias de los fosfatos presentes. Una acidez menor al 15% puede ser debido a la mastitis, al aguado de la lecheo bien por la alteracin provocada con algn producto latinizante. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 8 Viscosidad: La leche natural, fresca, es ms viscosa que el agua, tiene valores entre 1.7 a 2.2 centi poise para la leche entera, mientras que una leche descremada tiene una viscosidad de alrededor de 1.2 cp. La viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura hasta alrededor de los 70C, por encima de esta temperatura aumenta su valor. Punto de congelacin: Elvalorpromedioesde-0.54C(varaentre-0.513y-0.565C).Comose precia es menor a la del agua, y es consecuencia de la presencia de las sales minerales y de la lactosa. Punto de ebullicin: La temperatura de ebullicin es de 100.17C. Calor especifico: Lalechecompletatieneunvalorde0.93-0.94cal/gC,laleche descremada 0.94 a 0.96 cal/gC. 3.5.Tratamientos de la leche Despus de recibida la leche en la planta industrial, es sometida a una serie de tratamientos que dependern del destino final de la misma. Estos tratamientos son: Enfriamiento Higienizacin Homogeneizacin Tratamiento trmico (Pasteurizacin)Enfriamiento Laleche,luegodesurecepcinesenfriadaatemperaturasdealrededorde 4Cyalmacenadaaestatemperatura.Esteenfriamientoserealizaenun intercambiadordecolordeplacas(esteequiposedescribieneltemade pasteurizacin),utilizndoseaguaheladacomofluidoenfriador.Antesse usaba un enfriador de superficie (todava se lo utiliza en algunas plantas). 3.6 Tanque reservorio de leche En el marco de la produccin lechera, untanque de leche o enfriador de leche a granel es una tina de depsito empleada para enfriar y conservar la leche a bajatemperaturahastaquestapuedaserretiradaporuncaminde recoleccin de leche. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 9 3.6.1 Caractersticas Generalmentefabricadoenaceroinoxidableyutilizadotodoslosdaspara conservarenbuenascondicioneslalecheordeada;stedebeser cuidadosamentelavadotraslarecoleccin.Eltanquedelechepuede pertenecer al dueo del establecimiento (llamado tambin productor lechero) o de la industria lctea (empresa que se ocupa de la recoleccin y transformacin dela leche).Eltanquede leche esunelementosumamenteimportanteenel tambo. 3.6.2 Tipos de tanques de leche Elproductortienelaopcinentretanquesabiertos(de150a3000L)y cerrados (de 1000 a 10.000 litros), ya sea de expansin directa o de reserva de aguacongelada.Elpreciopuedevariardemucho,segnlasnormasde fabricacin y si el tanque es comprado nuevo o de segunda mano. El tipo y la capacidad del tanque dependen de: la cantidad de animales la cantidad de nacimientos de la frecuencia de la recoleccin de la leche de la calidad de leche deseada de la disponibilidad y los costos ligados a la energa y al agua de las posibilidades de desarrollo de la explotacin lechera. En los sistemas de expansin directa, la leche es enfriada por placas que estn en contacto directo con la tina interior del tanque. Con el sistema de reserva de aguacongelada,lalecheesenfriadacuandoelaguacongeladapasaporla paredinternadeltanque.Lossilosparaleche(10.000litrosyms)son utilizadosporlosgrandesproductores.Estnconcebidosparaserinstalados en el exterior, cerca del tambo. Todos los sistemas de comando y la entrada y salida se encuentran en un ambiente cubierto y cerrado. Normas de fabricacin de tanques de leche Lasnormasdefinen(entreotroscriterios):elaislamiento,laagitacindela leche, la potencia de enfriado, las tolerancias aceptables en las mediciones de cantidad de leche, la calibracin. Algunas normas son ms exigentes que otras. 1elStandardISO5708publicadoen1983.23A13-10actualizadasen2003.3 EN 13732 publicadas en 2003. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 10 3.6.3 Descripcin de un tanque de leche

Untanquedelecheoenfriadordelecheconsisteenunatinainterioryotra exterior,realizadasenaceroinoxidabledecalidadalimenticia.Eltanquede expansindirecta,soldadoenelinterior,tieneunsistema(evaporador)de placasytubosenlosquecirculagasrefrigerante(R22).Esegasabsorbeel calordellquidocontenidoenlatina(laleche).Lostanquesdeexpansin directaseentreganconuncompresoryunagrilladecondensacinen laque tambincirculagasrefrigerante.Elmismoprincipioqueparaun refrigerador/heladera (refrigeracin por compresin). Elespacioentrelasdostinasestrecubiertodeunaespumadepoliuretano aislante. En el caso de tener problemas de electricidad y con una temperatura exterior de 30, el contenido no debera recalentarse a ms de 1 por cada 24 h. Para permitir un enfriado rpido y adecuado de la totalidad del contenido de la tina, cada tanque est equipado de al menos un agitador. La agitacin de la leche permite que toda la leche en el interior de la tina quede homognea y a la mismatemperatura.Enloaltodeltanquecerradohayunvisorparasu inspeccinyparalalimpiezamanual,sifueranecesario.Estevisorest cerradoconunatapahermtica.Hayademsdos otrespequeasaberturas: una de aireacin, las otras pueden ser utilizadas para la introduccin del cao que introduce la leche del ordee en el tanque. El tanque de leche reposa sobre 4, 6 u 8 patas ajustables. La tina exterior est ligeramente inclinada para permitir la total evacuacin de la leche. En la parte inferior del tanque, hay una salida de vaciado, generalmente roscada con o sin vlvula.Todoslostanquestienenuntermmetroquepermiteverificarla temperaturadelinteriordeltanque.Lamayoradelostanquestienenun sistema de lavado automtico: se utilizan agua fra y caliente combinadas con productosdelimpiezacidosybsicos.Unabombayundifusorlavanel INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 11 interior, lo que permite conservar ese espacio limpio cada vez que el tanque es vaciado. Casi todos los tanques disponen de una caja de comandos con un termostato quecontrolaelprocesodeenfriado.Lapersonaresponsablepuedeponeren marchaodetenereltanque,comandarlaagitacindelaleche,iniciarel procesodelavadodelinteriordeltanqueyreiniciarelsistema.Lostanques ms recientes y de gran capacidad estn equipados con un sistema de control yalarma.Esossistemasverificanlatemperaturadelinteriordeltanque,el funcionamientodelagitador,elequipodefroylatemperaturadelaguade lavado. En caso de mal funcionamiento, se dispara una alarma. Esos sistemas pueden adems guardar en la memoria la temperatura y el mal funcionamiento por un determinado perodo.

3.7 Preenfriado de la leche Porrazonesdeeconomadeenergaydecalidaddeleche,loideales preenfriarlalechedesdelasalidadelaubreantesqueentrealtanque, utilizando tubos de enfriado en los que circula agua fra proveniente de un pozo odeunreservoriodeaguahelada.Estesistemapermiteenfriar significativamente la leche antes de entrar al tanque. 3.8 Temperatura de enfriado La temperatura normal de depsito de leche es de 3 o 4 C. Para la fabricacin de queso de leche cruda, lo ideal es conservar la leche a 12 C de este modo, lascaractersticasdelalecheestarnmejorpreservadas.Eltanquedeleche casi nunca se llena completamente de una sola vez. Un tanque equipado para dos ordees est concebido para enfriar el 50% de su capacidad de una sola vez.Untanqueequipadoparacuatroordeesestconcebidoparaenfriarel 25% de su capacidad de una sola vez y uno para seis ordees, un 16,7% de su capacidad.Lacapacidaddeenfriadodependedelacantidaddeordees necesariosparallenareltanque,delatemperaturaambienteydeltiempode enfriado. Ellavadoautomticoesutilizadoentodoslostanquescerrados.Estees activado por el recolector de la leche, luego del vaciado del tanque. Un lavado en caliente comprende las siguientes etapas: 1.Pre-lavado con agua fra 2.Pre-lavado con agua caliente para calentar las paredes de la tina interior 3.Proyeccin de una solucin a base de detergente y agente esterilizante a 50 C durante diez min 4.Enjuague con agua fra (en algunos caso, clorada) 5.Enjuague final con agua potable fra 6.Lostanqueslavadosconcidodebensertratadosconproductospara hacer desaparecer la piedra de leche INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 12 3.9 Otros usos de un tanque de leche Lostanquesdelechesonutilizadosparacalentaroenfriarunlquidoy mantenerloatemperaturaconstante.Porelhechodeserdeutilizacin alimenticiaydeaceroinoxidable,prcticamentecualquierlquidopuedeser depositado: agua, Zumo, miel, vino, cerveza, tinta, pintura, cosmticos, aditivos alimentarios, cultivos bacterianos, lquidos de limpieza, aceite, sangre, etc. 4.SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO 4.1 Sistemas de fro modernos Lossistemasdefromodernostransfierenelcalordelalechevaagentes enfriantestantoconaguaoaire.Estatransferenciasehaceatravsdeuna paredseparada,nunca hayuncontactodirectoconla leche.Elrefrigeranteo agenteenfrianteabsorbeelcalordelalechedentrodelevaporador.Cada refrigerante tiene su punto de ebullicin. El rango de de enfriamiento depende del diseo del equipo. La temperatura final depende del termostato o el flujo de lalecheatravsdelaslminasenfriantes. Laaltavelocidadyelmovimiento turbulento del lquido a lo largo de la pared mejorarn la tasa de transferencia del calor. 4.1.1 Ciclo de enfriamiento El ciclo de enfriamiento puede ser dividido en baja presin y alta presin. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 13 ndice del dibujo de arriba 1. CompresorUnabombadegascreapresinenelevaporador(baja temperatura)yaltapresinenelcondensador(alta temperatura). 2. PresstatoSe usa principalmente para proteger la parte de condensacin delainstalacin.Silapresinllegamuyalto,elpresstato paraelcompresor.Tambinseusacomoprotectorcontrala bajapresincausadaporelgoteodelrefrigerantecomoun interruptorparapararelcompresoralfinaldelciclode vaciado.3. Condensador Es la parte donde se condensa el refrigerante. El calor del gas se libera en el airey luego el gas se convierte en lquido. 4.Recibidor lquido El lugardealmacenamientodelrefrigerante.Si la instalacin estenfuncionamientoelrecibidorestcasivaco.Sila instalacinparayelsistemadevaciadoestinstalado,el refrigerante se almacenar en el recibidor.5. Filtro / SecadoEl filtro se usa para sacar todas las partes slidas del lquido. El secador se usa para quitar la humedad del refrigerante.6.Vlvula solenoide En instalaciones con sistemas de bomba, esta vlvula para el flujo del lquido al evaporador. 7. VisorAportalaposibilidadderevisar sihaysuficienterefrigerante en la instalacin. 8.Vlvulade expansin termostticaAportalamismacantidadderefrigerante,enformalquida, de vuelta al evaporador mientras el compresor saca el gas.9. EvaporadorDondeelrefrigeranteseevaporayleextraeel calorala leche. 10.TermostatoControla latemperatura delalecheenfriada, encendiendo o apagando el compresor dependiendo de la temperatura. 4.2 Enfriamiento de expansin directa Este es el sistema de enfriamiento de leche ms comn. La base del tanque ha sidodesignadacomounevaporador,mientrasqueelcalordelalechevaa travsdelapareddeaceroinoxidablealrefrigerante.Elrefrigerantese evapora,quitndoleelcaloralaleche.Dadoquelostanquesdeexpansin directa notienenun amortiguador delfro,siempretienequehaberdisponible energa.Enestetipodesistema,lalecheseenfradirectamenteyseagita despus de llegar al tanque. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 14 4.3 Enfriamiento con banco de hielo Ensistemasdeenfriamientoindirectoelevaporadorestsituadoenuna reservarellenaconelconductordecalor,ensumayorparteagua.El evaporadorconsisteenunsistemadetuberas obobinasenelcualel refrigerante se evapora y enfra el conductor de calor. La gran ventaja del sistema del sistema de banco de hielo es que permite que lacapacidaddeenfriamientosealmaceneenunareservaaisladaconun conductordecaloryun"amortiguadordefro"o"amortiguadordehielo".En reas dondenohayenergasuficiente,elsistemadelbancodehieloesuna solucin de enfriamiento eficaz. La formacin de hielo alrededor de las tuberas formaunaamortizacindefroquesepuedeusarparaenfriarlaleche.El amortizador de fro hace posible enfriar enreas en donde la energa es ms cara, o en donde el uso de la electricidad es limitado y significa que el sistema de enfriamiento puede apagarse para evitar la saturacin de energa durante el ordeo. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 15 5.MTODO DE DISEO EMPLEADO 5.1 Enfriamiento de expansin directa Este es el sistema de enfriamiento de leche ms comn. La base del tanque ha sidodesignadacomounevaporador,mientrasqueelcalordelalechevaa travsdelapareddeaceroinoxidablealrefrigerante.Elrefrigerantese evapora,quitndoleelcaloralaleche.Dadoquelostanquesdeexpansin directa notienenun amortiguador delfro,siempretienequehaberdisponible energa.Enestetipodesistema,lalecheseenfradirectamenteyseagita despus de llegar al tanque. La refrigeracin y el almacenamiento de la leche tambin influyen en la calidad. Se han establecido varias disposiciones sobre refrigeracin y almacenamiento de la leche para proteger la calidad y reducir el desarrollo de bacterias durante el proceso de almacenamiento. Lalecheatemperaturacorporal,norefrigerada,esidealparafavorecerel desarrollo de bacterias. Cuanto ms rpido se enfre la leche (menos de 40 F: -4,44C),tendrmsposibilidadesdereducirelrecuentodebacterias. 5.1.1 Refrigeracin por compresin mecnica. Enlaactualidadelfroseproduceprincipalmentemediantesistemasde refrigeracinporcompresinmecnica,deformaqueelcalorsetransmite desdelacmaraderefrigeracinhastaunazonaenlaquepuedaeliminarse msfcilmente.Latransferenciadecalorserealizamedianteunfluido refrigerante que cambia de estado, de lquido a vapor, a una temperatura de ebullicin muy baja y con una entalpa o calor latente de vaporizacin alto. Una vezqueelrefrigeranteestenestadodevaporsecomprimemecnicamente (aumentandosupresin)deformaquevuelvealestadolquidoyvuelvea utilizarsecclicamente.Seestableceasunciclotermodinmicocuyolmite tericoseraelciclodeCarnot.Elsistemaderefrigeracinsedenomina entonces como sistema de compresin de vapor. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 16 6DISEO METODOLGICO 6.1 Desarrollo de clculos del diseo del tanque6.1.1.Datos requeridos Datos necesarios para el clculo del Tanque proporcionado por ALFACERIX: Capacidad Requerida: I = 3000 lts Hotcriol: Accro inoxiJoblc, cspcsor 2 mm ntco dcI tunquc= 1,3 m Intco dcI tunquc= 2,3 m Aislontc: Poliurctono, 2 in Jc cspcsor Iconscucn dc Iu Icchc= 4 La geometra requerida del Tanque es Cilndrica, con los datos proporcionados se calcula la capacidad o volumen real: I = 2 n r2 I I = 2 n _2 ]2 I I = 2 n _1,3m2]2 2,3m F = 3, 528427 m3 352, 8427 |tx De acuerdo a la Tabla VII, la conductividad trmica del Acero Inoxidable es: k = 14,9 wmK De acuerdo a la Tabla, la conductividad trmica del Poliuretano es: k = 0,0026 wmK Las propiedades trmicas de la leche se toman de: http://rpaulsingh.com (a 15C) (S.I. y S. INGLES) o = 1032 kgm3;o = 64,486 lbt3

INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 17 k = 0,581 wmK;k = 0,33571 BIu t F

p = 5,082 lbt ;p = 2,1 cp ; p = 0,00209989 kgm s

cp = 3,89 k[kgK ; cp = 0,93 BIu t F IclociJoJ RccomcnJoJo Jc circulocin Jc lo lccc = 0,5 ms

Icmpcroturo Jc conscr:ocin Jc lo lccc = 4 C Iicmpo Jc cnriomicnto Jc lo lccc = 2 oros Otros datos importantes: Icmpcroturo ombicntc = 18 C Icmpcroturo ingrcso Jc lo lccc ol tonquc = 17 C Con los datos anteriores se procede a calcular la cantidad de fluido que ser enfriado en un determinado tiempo, as tenemos: 6.2 Clculo del flujo msico: o =mI m = o I m = 1032 kgm3 3,0528427 m3 m = 3150,53363 kg m =mt =3150,53363 kg2 1 3600 s

m = , 4375 kgx

Unavezcalculadoelflujomsico,seprocedeacalcularlacargatrmicapor producto, es decir la cantidad de calor que se necesita extraer de la leche para conservarla a la temperatura requerida. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 18 6.3 Carga trmica del sistema de refrigeracin 6.3.1 Carga trmica por producto La conservacin de productos se realiza a temperaturas > 32 K > 0 C , por tanto no existe cambio de fase. Al no existir cambio de fase, el clculo de carga trmica por producto es: qs = m cp1 (Icmpcroturongcso Icmpcroturoconsumo) Donde: m = lu]o msico_kgs] cp1 = color cspccico Jc lo lccc_k[kgK] qs = 0,437574 kgs 3,9 k[kgK ( 17 4) C 1000 [1 k[ qx = 22185 W qx = 7599, 7 BTUh qx = 79, 93 x 1 ]h

Para la seleccin final de los equipos se aplica un margen de seguridad de 10%, el calor total a extraer es: qs = ( 22185 + 0,1 22185)w qx = 2443, 5 W qx = 8329, 2 BTUh qx = 87, 92 x 1 ]h

qs =contiJoJ Jc color quc sc Jcbc rctiror poro cnrior lo lcc cn unticmpo Jc 2 oros INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 19 6.4 Clculo de prdidas continuas en las paredes delcilindro. Adems de la Carga Trmica por Producto, en este diseo se tienen prdidas continuas por el cilindro y por las tapas, las cuales se calculan a continuacin: Donde: r = roJio intcrno Jcl cilinJro r1 = roJio intcrno Jcl cilinJro + cspcsor Jcl occro r2 = roJio intcrno Jcl cilinJro + cspcsor Jcl occro + cspcsor Jcl oislontc r0 = roJio intcrno Jcl cilinJro + 2 cspcsor Jcl occro + cspcsor Jcl oislontc cspcsorusIuntc= 2 incspcsorucco = 2 mm r| = , 5 mr1 = ( 0,65 + 0,002) m r1 = , 52mr2 = ( 0,65 + 0,002 + 0,0508) m r2 = , 728mro = ( 0,65 + 2 0,002 + 0,0508) m r = , 748m INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 20 = cocicicntc con:ccti:o Jc lo lccc cn cl intcrior Jc tonqucs ogitoJos o = cocicicntc con:ccti:o Jcl ombicntc cxtcrno Elambienteconvectivooqueestencontactoconelexteriordeltanque, segnrecomendaciones tenemos los siguientes valores: o = Jc 2 o 6 BIu t2 F

Para nuestro diseo el valor del ambiente convectivo es de 6 B10h ]t2 P hu = BTUh t2 F ; hu = 34, 44 W m2 K Paradeterminarlasprdidascontinuasporelcilindro,antesdebemos determinarelvalordelcoeficienteconvectivodelalecheenelinteriordel tanque . Para ello usamos el siguiente marco terico: Paraflujoturbulentodesarrolladoentuboslisosserecomiendalarelacinde Dittus y Boelter: Nu = 0,023 Rc0,8 Pr0,4 Las propiedades en esta ecuacin se evaluaron a la temperatura promedio del fluido, y el exponente n tiene los siguientes valores: n = 0.4 para calentamiento yn = 0.3 para enfriamiento. LarelacindeDittusyBoelterindicaunadependenciadelprocesode transferencia de calor sobre el campo de flujo y el nmero de Reynolds. Lasvelocidadesrelativasdedifusindecalorymomentoserelacionanpor medio del nmero de Prandtl, ya que se espera que el nmero de Prandtl sea un parmetro importante en la solucin final. Sepuedeconfiarenladependenciadelprocesodetransferenciadecalor sobre losnmerosdeReynoldsyPrandtl,perosehacenecesarioconocerla formacorrecta de larelacin,yaquelamismaformaesconvenienteutilizarla para correlacionar datos experimentales. Si se tiene un nmero de experimentos con medidas "tomadas de velocidades detransferenciadecalordevariosfluidosenflujoturbulentodentrodetubos lisosbajodiferentescondicionesdetemperatura,sepuedenutilizartubosde diferentesdimetrosparavariarelintervalodelnmerodeReynoldsadems de variaciones en la velocidad de flujos de masa. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 21 Se debe considerar que los datos de transferencia de calor sern dependientes de los nmeros de Reynolds y de Prandtl. Una funcin exponencial para cada uno de estos parmetros es tal vez la ms simple que se pueda utilizar, de esta forma: k= 0,87( Rc)2/ 3( Pr)1/ 3_ ppw]0,14 k= 0,87 _I2 N op_2/ 3[c pk1/ 3_ ppw]0,14 6.4.1 Clculo del nmero de Reynolds Rc] = nmcro Jc RcynolJs poro tonqucs con ogitocin cnrioJos con scrpcntn Scgn ( Kcrn, 1999) Rc] =I2 N op Donde I = longituJ Jc los ogitoJorcs ( pics)N = rc:olucioncs por oro o = JcnsiJoJ Jc lo lccc (lbt3, )p = :iscosiJoJ Jc lo lccc (lbt , ) I = 1,148 t N = 6000 rc:, Rc] =1,1482t2 6000 rc:, 64,486 lbt3p = 5,082 lbt

Rej = 100338,39 ] = Jimctro intcrno Jcl tonquc = 4,264 t Donde: jw [0,14= 1INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 22 Se estima este valor porque las propiedades de la leche sonsimilares a las del agua = 0,87 0,33571 BIu t F4,264 t ( 100338,39)2/ 3_0,93 BIu t F 5,082 lbt 0,33571 BIu t F_1/ 3 h| = 357, 13 BTUh t2 F

Una vez calculado el valor de , se procede al clculo de prdidas en el cilindro, para lo cual realizamos las siguientes operaciones: 6.4.2 Clculo del rea interna y externa del cilindro A = 2 n r I A = 2 n _1,32] 2,3 A| = 9, 39332 m2 Ac = 2 n ro ( I + 2 cusIuntc)Ac = 2 n _1,40162]m ( 2,3 + 2 0,0508) m Ae = 1, 352 m2 Una vez obtenido todos los valores, se procede al clculo de las resistencias en el cilindro. 6.4.4 Clculo de resistencias en el cilindro R1 =1 Ai =12026,49 w m2 K 9,3933 m2 R1 = , 52533 K W INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 23 R2 =ln [r1r2n kucco I =ln [ 0,650,6522n 14,9 w m K 2,3m R2 = 1, 4277 x 1-5 K W R3 =ln [r2r12n kpoIuctunoI=ln[0,70280,6522n 0,026 w m K 2,3m R3 =, 19983 K W

R4 =ln [r0r22n kuccoI=ln [0,70480,70282n 14,9 w m K 2,3m R4 =1, 31974 x 1-5 K W

R5 =10 Ac=134,0464 w m2 K 10,6352 m2R5 =, 271 K W

RT = , 225 K W 6.4.5 Clculo del coeficiente global de transferencia de calor u =1Ac RI u =110,6352 m2 0,2025 K w U = , 442Wm2 K

Finalmente calculamos el Calor en el cilindro 6.4.5 Clculo de q en el cilindro q =TRI =Tem pambIcntc Tem pconscrvacIn IcchcRI q =( 18 4) C0,2025K w q = 9, 127 W q = 235, 87 BTU h INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 24 Luego calculamos las Prdidas Continuas en las Tapas 6.5 Clculo de prdidas continuas en las tapas 6.5.1 Clculo del rea rcotupus= n ro2 A = n ( 0,7048 m)2 A = 1, 55 m2 6.5.2 Clculo de las resistencias R1 =1o A =134,0464 w m2 K 1,56056 m2 R1 = , 18821193 K W R2 =cucco kucco A =0 ,002 m 14,9 w m K 1,56056 m2 R2 = 8, 12 x 1-5 K W R3 =cusIuntc kusIuntc A=0,0508 m 0,0026 w m K 1,56056 m2R3 =1, 25212 K W

INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 25 R4 =cucco kucco A =0 ,002 m 14,9 w m K 1,56056 m2R4 = 8, 12 x 1-5 K W R5 =1 A=12026,49 w m2 K 1,56056 m2 R5 =, 312 K W

RT = 1, 2713 K W Luego calculamos el coeficiente global de transferencia de calor y finalmente el calor en la tapa 6.5.3 Clculo del coeficiente global de transferencia de calor u =1A RI u =11,56056 m2 1,2713 K w U = , 544Wm2 K

6.5.4 Clculo de q en la Tapa q =TRI =Tem pambIcntc Tem pconscrvacIn IcchcRI q =( 18 4) C1,2713 K w q = 11, 12 W q = 37, 58 BTU h El coeficiente global de transferencia de calordel tanque es la sumatoria de los coeficientes de cilindro y tapas. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 26 6.6 Clculo del coeficiente global total de transferencia de caloru101AL= ucIndo + utupus u101AL= ( 0,4643 + 2 0,5040)wm2 K

UTOTAL = , 983 Wm2 K UTOTAL = , 17 BTUh t2 F El calor total por prdidas continuas del tanque es: 6.7 Calor total del tanque q = ( 69,13 + 2 11,012)wq = 91, 15 W q = 311, 3 BTU h 6.8 Transferencia de calor por radiacin y conveccin Ademsdelcalorporcargascontinuasdeltanqueyporcargatrmicapor producto,sepuededeterminarlaTransferenciadecalorporRadiaciny Conveccin. CalorqueentraalTanqueporconveccinyradiacinseobtienesegnlas Ecuaciones. 10.7 a 10.10, (Kern, 1999) INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 27 concccn = c = 0,3 t0,25 t = 64,4 F 39,2 F t = 25,2 F c = 0,3 ( 25,2)0,25hcunuecc|n = , 72158 BTUh t2 F

Razn de Radiacin uducn = =0,173 c_[I1 ubs1004 [I2 ubs1004_I1 ubs I1 ubs Donde: I1 ubs = Icmpcroturo olto obsoluto ( Icmp. Jc Ingrcso) = F + 460 I2 ubs = Icmpcroturo olto obsoluto ( Icmp. Jc Consumo) = F + 460 c = cmisi:iJoJ I1 ubs = 64,4 F + 460= 524,4RI2 ubs = 39,2 F + 460= 499,2Re = , 8 Segn Ker n =0,173 0,8 _[524,41004 [499,21004_524,4 499,2 hr = , 74288 BTUh t2 F Prdtdas Cumbtnadas = hc + hr Pr di das Com bi nadas = ( 0,672158 + 0,7426088)BIu t2 F

Prdtdas Cumbtnadas = 1, 41477 BTUh t2 F INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 28 Ahora,sseconoceelreadeltanqueyeltsepuedeconocerelcalorque fluye del medio ambiente. Teniendo en cuenta que el Tanque es un cilindro de 1,3 m de dimetro interior y 2,3 m de longitud con tapas planas. Atunquc= Acxtcnu cIndo + 2 Atupus Atunquc= ( 10,635 + 2 1,56056)m2 Atanque = 13, 753m2 Atanque = 147, 993t2

6.9 Calor total que fluye del entorno Color totol = ( c + ) ( t) A Color totol = 1,414767 BIu t2 F ( 64,4 39,2) F 147,9963t2

Ca|ur tuta| = 527, 382 BTU h 154, 3 W Para determinar el calor total que fluye del sistema, se suma el valor de carga trmica por producto, el calor total del tanque y el calor total por conveccin y radiacin, as tenemos: totuI=Icchc + tunquc + concccn + uducn totuI= ( 24403,5 + 91,15 + 1546,3)w Qtuta| = 24, 95W Qtuta| = 8885, 93BTU h 6.10 Clculo de LMTD LMTD = Diferencia de Temperatura Media Logartmica. Para calcular la LMTD seusaelmtodosegnKern(1999).Casodefluidoisotrmico(puesse evapora el refrigerante R22 y la evaporacin es un cambio de fase, ocurriendo a presin y temperatura constante) Icmp. c:oporoJorR-22 = 6 21,2 Icmpcroturo ngcso= 17 62,6 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 29 Icmpcroturo conscucn= 4 39,2 LMTD =T2 T1|n[T2T1 I2 = Icmpcroturo ngcso Icmp. c:oporoJorR-22 I2 = ( 62,6 21,2) T2 = 41, 4 I1 = Icmpcroturo conscucn Icmp. c:oporoJorR-22 I1 = ( 39,2 21,2) T1 = 18 IHI =( 41,4 18) ln [41,418 LMTD = 28, 94 LMTD = 15, 8 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 30 UnavezobtenidoelvalordeLMTD,seprocedeacalcularlosambientes convectivos en el interior y exterior de la tubera 6.11 Coeficiente interno de transferencia de calor por conveccin Duranteelpasodelrefrigeranteenelinteriordelevaporadorseproduceun cambio de fase desde su entrada como una mezcla de vapor y lquido hasta su salidacomovaporsobrecalentado,estecambiodefasesedebeconsiderar para el clculo del coeficiente de conveccin. Paraelclculodelcoeficientedeconveccinendosfasesenelinteriordel evaporador se hace uso de la expresin 2.6, se puede aplicar para R-11, R-12, R-22, R-13, R-114 y agua, para flujos verticales y horizontales, la utilizacin de estaexpresinrequierequelasunidadesdetodoslosparmetrosseandel sistemaingls,cuandosedeterminanlosparmetrosadimensionalesse puedenusarunidadesinglesasydelsistemainternacional,porloque momentneamenteenloscasosenlosquelaexpresinloameritese cambiaran las unidades al sistema ingls. h|nt = F F2 h + S S2 h

DondeE, E2, S y S2sonvaloresadimensionalesquedependendelas propiedades del refrigerante, su clculo se explica a continuacin. El valor de la constante S de determina mediante la siguiente expresin: S = 1,12 [x1 x0,75 _pIp]0,41 DondepI y prepresentanladensidaddelrefrigerantealapresindel evaporador en su fase lquida y vapor respectivamente, x representa la calidad del refrigerante a la entrada del evaporador. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 31 Elvalordelacalidaddelrefrigerantetienelossiguientesvalores recomendados: x = ( Jc 0,2 o 0,8)Entonces para este diseo se asume un valor de x = 0,2 Los valores de las densidades tanto de lquido como vapor son tomadas a una presin 4,08 bar que corresponde a la temperatura del evaporador ( 26)pI= 1367 kgm3 p = 8,6 kgm3 Entonces el valor de S es: S = 1,12 _0,21 0,2]0,75 _13678,6]0,41 S = 3, 13 El clculo de E se realiza a partir de la siguiente ecuacin: E = 1 + 3000 Bo0,86

Se requiere conocer el valor del nmero de evolucin (Bo), el cual relaciona el flujomsiconormalalapareddebidoalaebullicinyelflujomsicototala travs del tubo, y se calcula a partir de la siguiente ecuacin: Bo =q0 ]g

Donde q es el flujo de calor, G es la velocidad msica del refrigerante, y]g eselvalorcorrespondientealadiferenciadeentalpadelrefrigerantepara pasar de su estado gaseoso a lquido a la presin del evaporador. La velocidad msica del refrigerante se calcula con la siguiente expresin: 0 =mA 0 =mn4 2 Donde: m = moso Jc rcrigcrontc = 0,1092 kgs, :olor colculoJo cn lo scccin 9 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 32 =12 in ntco= 0,016m 0 =0,1092 kgsn4 ( 0,016)2 El valor de G es: 6 = 543, 11kgx m2

El flujo de calor se calcula a partirde la ecuacin siguiente: q =A Donde: = color totol Jcl sistcmo A = rco Jcl tubo = 2 n r I Como no se conoce el valor de la longitud del tubo, se busca un valor para q elcualsegnrecomendacionesestdentrodelsiguienterango:de7000a 35000 w/ m2. Por experiencia se recomienda un valor de: q = 2Wm2 Conociendoestosvaloressepuededeterminarelvalordelnmerode ebullicin reemplazando los valores en la ecuacin 6.4 Bo =20000wm2543,11kgs m2 53,43 kcolkg 4,184k[kgkcolkg 1000 Bu = , 147 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 33 Conociendo el valor del nmero de ebullicin se calcula el valor de la constante E de la expresin 2.3 E = 1 + 3000 ( 0,0001653)0,86

F = 2, 8 E2 y S2dependendelnmerodeFroud,siesteesmenora0,05,estosdatos debensercalculados,casocontrariosonconstanteseigualesa1,el nmero de Froud es un parmetro adimensional que relaciona dos tipos de fuerzas, las degravedadylasinerciales,quedependendelamasa,paraunflujoendos fases se utiliza la siguiente expresin: Frl =02pL2 g

Frl =_543,11kgs m2 ]2_1367 kgm3]2 9,81 ms2 0,016 m Fr| = 1, 5 Como Frl > 0,05 los valores de E2 y S2 es igual a 1. A continuacin se determina el valor de ] que es el coeficiente de conveccin de una sola fase para lo cual se hace uso de la expresin: ] = 0,023 Rcl0,8 Prl0,4 _kI]DondeReleselnmerodeReynolds,PrleselnmerodePrandtl,klesla conductividad trmica, todos estos trminos correspondientes al refrigerante, y D es el dimetro de la tubera del evaporador. Rcl =0( 1 x) pl

Rcl =543,11kgs m2 ( 1 0,2) 0,016 m173,02x10-6N s m2 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 34 Re| = 4179, 78 El nmero de Prandtl se obtiene de la ecuacin siguiente: Prl =cp1 p1k1 Prl =1,2408k[kg K 173,02x10-6N s m285,36x 10-6kwmK 1kg m N s2 Pr| = 2, 515 Conociendoestosvaloressedeterminaelvalordelcoeficientedeconveccin en una sola fase: = 0,023 ( 40179,678)0,8 ( 2,515)0,4 _0,05547BIu t F0,05248 t_ h = 19, 75 BTUh t2 F Reemplazandoestosvaloresobtenidosenlaecuacin6.1seobtieneel coeficientedeconveccinendosfasesdelrefrigeranteenelinteriordel evaporador, y se tiene: nt= _2,67 1 169,75 BIu t2 F] + _3,16 1 169,75 BIu t2 F] nt = 990,81 BIu t2 F

h|nt = 522, 283 W m2 K Rango de valores:h|nt = 2385 a 33 W m2 K Para encontrar el ambiente convectivo ho, debemos hacer referencia al Arreglo de Tubos que va a tener el serpentn. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 35 Seasumeunarreglodetubosalternados,cuyosvaloressedetallanenla siguiente Tabla xtD, =xpD, 1,5c=0,511 x|D, =xnD, 1,5n=0,562 Datos de la tubera: Material:AceroinoxidableAISI304(materialusadodebidoaquelatubera estar en contacto directo con la leche. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 36 Para una buena transferencia de calor y con el propsito de reducir al mnimo las prdidas de presin, se selecciona una tubera de in de dimetro. De acuerdo a las Tablas 4.2 y Tabla VII, las propiedades del acero inoxidable son: imctro ( ) =12in imctrocxtco= 21,3 mm = , 213 m Espcsor( c) = 2,65mm = 0,00265m imctrontco= 16 mm = , 1 m RoJiocxtco ( r0) =cxtco2= , 15 m RoJiontco( r) =ntco2= , 8 m ConJucti:iJoJ Irmico = 14,3wm K Con los datos anteriores, se calcula el coeficiente convectivo en el exterior del arreglo de tubos, para lo cual se usa la siguiente expresin: o =Nu k Este coeficiente ho est en funcin de Nu, conductividad trmica del material y dimetro de la tubera. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 37 El nmero de Nu a su vez est en funcin de Re, Pr, para lo cual determinamos los siguientes parmetros: I( IclociJoJ Jc lo lccc cn contocto con los tubos) = 0,8 ms s1 =st tubo s1 = 1,5 0,0213 mxT = , 3195 m :1 =: sIsItubo :1 =0,8 ms 0,03195 m0,03195 m0,0213 m u1 = umx= 2, 4 mx :2 =:sI2_[sI22+ ( sI)2

:2 =0 ,8 ms0,03195 m2_[0,03195 m22+ ( 0,03195 m)20,0213 m

u2 = um n = , 882 mx Nu = k Nu = c Rcn Prm Clculo de Re: Rc =o :m n p Rc =1032 kgm3 0,8862 ms 0,0213 m0,035 kgm s Re = 55, 57 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 38 Valor de Pr: Pr = 13,42 Clculo de Nusett: Nu = c Rcn Prm c = 0,511 n = 0,562 m = 1/ 3 Nu= 0,511 331,85 0,5 13,421/ 3 Nu = 22, 12 Clculo del ambiente convectivoho Nu =o ko =Nu k o =22,12 0,581 wmK0,0127 m hu = 112 W m2 K Unavezdeterminadotodoslosparmetros,secalculalalongituddetubera necesariaparaloscumplirlosrequerimientosdeseados.Paraello encontramos: INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 39 7. CLCULOS Y DISEO DEL SERPENTN7.1 Clculo de resistencias en la tubera del serpentn R1 =1A

R2 =lnr0r2 n k I

R3 =1o Ao 7.2 Clculo de coeficiente global de transferencia de Calor (Uo) u0=1A0RI u0=1Ao_1Aii +lnr0ri2 n k I+1o Ao_ ;Ao =2 n r0 I ,Ai =2 n ri I u0 =12n r0 I2 n r I +2 n r0 I lnr0r2n k I+2 n r0 I o 2 n r0 I INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 40 u0 =1r0r +r0lnr0rk+1o u0=10 ,00635 m0,00535 m 5622,283 wm2 K +0,00635 m ln0,006350,0053514,3 wm K+11012 wm2 K UO = 784, 13Wm2 K 7.3 Clculo de la longitud del serpentn Finalmente para conocer la longitud del serpentn necesaria para refrigerar la leche, usamos la siguiente expresin: q = UO AO F LMTD A0 =26040,95 w784,13wm2 K 1 15,608K AO = 2, 24 m2r ea de t r ansfer enci a de Cal orde l os Tubos AO = D a L I =A0 n I =2,204 m20,016 m n L = 43, 84 m INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 41 8.ANLISIS TERMODINMICO DEL REFRIGERANTE 8.1Proceso de cambio de fase del refrigerante en el evaporador 1-2=Comprensin adiabtica Q = 02-3 = Cede calor a presin constante 3-4 = Estrangulamiento (disminucin de presin) adiabtico e isoentlpico. 4-1 = Evaporacin a presin constante Js =JI( ScgunJo Icy Jc lo IcrmoJinmico)I Js = J _I Js = _J I Js = 0 s= 0 Por tanto: Proceso Isoentlpico, cntu =suIc h3 =h4 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 42 8.2 Clculo de la temperatura de evaporacin T= 14 :olor rccomcnJoJo I]= tcmpcroturo Jc lo cmoro = 4 = 39,2 T1 = Teuapurac|n = I] T I1 = ( 39,2 14) T1 = 25, 2 = 4 La presin de evaporacin a 4 es: Peuapurac|n = 42 kPa Clculo de la Temperatura en 3 I3 = Iumbcntc + ( 1)condcnsudo

( 1)condcnsudo= 25 :olor rccomcnJoJo I3 = ( 64,4 + 25) I3 = 89,4 T3 = 31, 89 Con T3 en Tablas de refrigerante encontramos P3 = 1251 kPa De acuerdo al diagrama del sistema de refrigeracin se tiene que INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 43 Segn la Tabla 12.12 - Seccin de la tabla de propiedades termodinmicas de saturacin para el R-22. Para una temperatura de evaporacin de -4C tenemos: ]g = 50 Kcolkg,]g = 208200 [kg, 8.3 Clculo de la masa de refrigerante mR-22 =Icchc]g mR-22 =87,921 x 106 [208200 [kg, mR-22 = 393, 3 kgh, mR-22 = , 192 kgx, INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 44 Luego de conocido el flujo msico de refrigerante, determinamos las propiedades termodinmicas para cada punto de acuerdo a nuestro Sistema de Refrigeracin: Donde: L= CorrcsponJc ol color rctiroJo por cl R22 I1 = 4 C ConI1 = 4 C, en Tablas o Diagrama de Mollier del Refrigerante R-22 encontramos h1 h1 = 394, 41 k]kg, 8.4 Calor retirado por el refrigerante El calor retirado por el Refrigerante se obtiene de la siguiente ecuacin: L=Corgo trmico por proJucto ( s)mR22 L=83269,62 BIu 393,3 kg1,05587 k[1 BIu L= 223,55 k[kg INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 45 9.BALANCE ENERGTICO 9.1 Balance de energa en el evaporador As el Balance de Energa en el evaporador quedara: L + 4 = 1 4 = 1 L 4 = ( 394,41 223,55)k[kg h4 = 17, 8 k]kg con 4 = 170,86 k[kg, cn toblos sc lcc I4 T4 = 25 Como: mR-22 =q1 4 = o : A Donde:o = JcnsiJoJ Jcl rcrigcrontc : = :clociJoJ Jcl rcrigcrontc A = rco :R22 =mR-22o A :R22 =393,3 kg8,6 kgm3 n4 0,0162 m2 1 3600 s uR22 = 3, 18 mx

INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 46 9.2 Clculo de h3 en la vlvula de expansin: cncrgo quc cntro = cncrgo quc solc q = 0 ( son oJiobticos)w = 0 porquc I = constontc, w = _p Jv Si I = constontc, cntonccs Jv = 0 y_p Jv = 0= w q + 3 = 4 + w 3 = 4 ( son isocntlpicos) h3 = h4 = 17, 8 k]kg

9.3 Balance de Energa en el Condensador: cncrgo quc cntro = cncrgo quc solc 2 = 3 + H Como se generan demasiadas incgnitas no se puede calcular H; se procede entonces con un balance por primera y segunda Ley de la Termodinmica en el compresor para calcular h2 y luego determinar H y T2 en el condensador: INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 47 9.4 Balance de Energa en el Compresor cncrgo quc cntro = cncrgo quc solc 1 = 2 + wc Js =JI, = 0, I 0 Js = 0s= 0 s2 = s1 En la tabla de propiedades del refrigerante R22: s1, con I = 4 , sc lcc:1,7936 k[kg K,s2 = s1 = 1,7936k[kg K con I2 = 50ys2 = 1,7936k[kg K , En el diagrama Ph delrefrigerante obtenemos h2: h2 = 435 k]kg Por tanto Wc: wc = 1 2 wc = ( 394,41 435)k[kg

Wc = 4, k]kg

INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 48 Ntese que Wc es negativo porque es Trabajo de Compresin. 9.5 Calculo de QH Ahora se calcula QH 2 = 3 + H H= 2 3 H= ( 435 170,86)k[kg QH = 24, 14 k]kg 10. COEFICIENTE DE PERFOMANCE 10.1ClculodelaEficienciadelrefrigeradordelsistemade transferencia de calor (COP) La eficiencia se llama coeficiente de operacin (COP) y se denota por y es la relacinentrelacantidaddecalorabsorbidoenelespaciorefrigerado (evaporador) y el trabajo de comprensin destruido: COP = [ =Lwc [ =223,55k[kg40,6k[kg COP = = 5, 5( ad|menx|una|) Clculo de otro parmetro muy importante llamado Capacidad: CopociJoJ =m R22 L( Ion E20) z E20 Para el Refrigerante R22 IoncloJo Rcrigcrocin = 12000 BIu INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 49 CopociJoJ =m R22 L12000 BIu CopociJoJ =393,3 kg 223,55k[kg12000 BIu 1,05587 CopociJoJ = 6,94 IoncloJos Jc Rcrigcrocin/Jo Costo de Energa hora de operacin, C, masa de leche enfriada: wcompcso= 40,6k[kg 40,6k[kg 393,3 kg1 3600 s = 4,43 k[s 4,43 k[s18 opcrocin1 Jo3600 s1 wcompcso= 287423,64 k[ 1 kw 3,6 x106 [1000 [1 k[ Wcumprexur = 79, 8 kW h Si el kW-h es $0,084, entonces: 105,3 kw $ 0,084kw = $ , 7 11. CLCULO DE LA POTENCIA MECNICA DEL COMPRESOR N = m w c[ EP]Donde: N = Potcncio rcqucriJo por cl comprcsor w = trobo]o Jc comprcsin k[/ kg m = couJol cn moso kg/ s c = octor Jc con:crsin INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 50 N = 393,3 kg 40,6k[kg1 3600 s1,341 EP1 kw N = 5, 95 HP Para la Potencia del compresor, tomar en cuenta un factor de seguridad del 20%. Esto se debe a que el compresor nunca trabaja al 100% de su capacidad. N = ( 5,95 + 0,2 5,95)EP N = 7, 14 HP INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 51 12. SELECCIN DE EQUIPOS 12.1.Seleccin del compresor CARACTERSTICAS FSICAS Los compresores usados para ciclos de refrigeracin son de tres tipos: recprocos, rotatorios y centrfugos. Corgo Frigorico = 26040,95 w Potcncio = 8 EP = 5,32 kw Icmpcroturo Jc c:oporocin = 4 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 52 Con los datos anteriores, se selecciona el compresor en el Catlogo Danfoss: Marca: Danfoss Modelo: MT81 Capacidad: 5,76 kW Tipo: Compresor Reciprocante INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 53 12.2.Seleccin de la Unidad Condensadora Para realizar el clculo para el dimensionamiento del condensador necesitamos los siguientes datos: Corgo Frigorico = 22390 kcol/ Icmpcroturo Ambicntc = 18 Icmpcroturo Jc E:oporocin = 4 Se elige una unidad condensadora con las siguientes caractersticas: Marca: Intercal Modelo: CA-403-66 Capacidad: 24825 kcal/h. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 54 12.3.Seleccin de la vlvula de expansin Rcrigcrontc = R22 Corgo Hximo Jc E:oporoJor = 26040,95 w Icmpcroturo Jc E:oporocin ( I0) = 4 Icmpcroturo Jc ConJcnsocin ( IC) = Iumbcntc + 10 = ( 18 + 10) = 28 Subcnriomicnto Jcl lquiJo = EstimoJo 4 Io prJiJo Jc Corgo cn Iubcros y Il:ulos = EstimoJo cn 2 bor Ahora con las temperaturas de condensacin y evaporacin, en Tablas de Refrigerante se lee las presiones a dichas temperaturas. I0 = 4 4,36 bor IC = 28 11,27 bor Con estos valores y la prdida de carga en las tuberas, se calcula la diferencia de presin entre la entrada y la salida de la vlvula. P = PC P0 P

P = ( 11,27 4,36 2) bor = 4, 91 har Ahora con los siguientes datos, se buscan las tabla para R22, se selecciona la tablapara unatemperatura deevaporacin de-4C,setomalacolumnacon un P = 4,91 bar, y en esta columna se busca la capacidad de 26,040 kW, o el valorsuperiormsprximo,yalaizquierdaseleeeltamaodelavlvula adecuada.Posteriormentealahoradeseleccionarelelementotermosttico, orificioycuerpodelavlvuladeexpansindebentenerseencuentalas conexiones. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 55 Se elige una vlvula de expansin con las siguientes caractersticas: Marca: Danfoss Modelo: TEX 5-7.5 Capacidad: 32,7 kW. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 56 12.4.Seleccin del distribuidor refrigerante Para la seleccin del distribuidor de refrigerante se necesita conocer los siguientes datos: 1. Refrigerante 2. Capacidad del evaporador 3. Temperatura de evaporacin 4. Temperatura del lquido 5. Cantidad de secciones del evaporador 6. Dimetro de entrada de la seccin del evaporador 7. Longitud del tubo distribuidor 8. Vlvula de expansin INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 57 Con los datos de la tabla 4 se determinan el tipo de distribuidor, el dimetro y tipo de entrada. Como se tiene una capacidad de 26 kW en la vlvula de expansin y se necesitan 11 salidas del distribuidor, seleccionamos dos tipos de distribuidores que son: Marca: DanfossMarca: Danfoss Tipo: RD33 Tipo: RD42 Nmero de orificios: 4Nmero de orificios: 7 Capacidad de la vlvula de expansin: 35 kW para ambos tipos 13. CONCLUSIONES: Sediseo(conbaseenclculostermodinmicos)unequipode refrigeracin de leche cruda para conservarla a4 Enestesistemasderefrigeracinelprocesodeabsorcindecalor dentro del evaporador se lleva a cabo a presin constante, idealmente el refrigerante entra a ste en forma de lquido saturado y sale en forma de gassaturadoaunadeterminadapresin,ladiferenciadeentalpasen estos puntos debera ser el calor latente del refrigerante a sa presin. Elusodeuntanquederefrigeracinsetornanecesarioparamantener la leche con sus propiedades y caractersticas de ordeo. Ladesventajadeldiseodeestetanqueesladificultaddelimpiezaya queelserpentnestdentrodeltanquelocuallimitalamanipulacin humanaalmomentodelalimpieza.Unaalternativaparaestetipode tanque sera el uso de un sistema de lavado a presin. Sepudoconocerlosparmetrosnecesariosparalaseleccindel compresor, unidad condensadora, vlvula de expansin y tubera que se emple en este diseo. Selogrodeterminarelcoeficienteconvectivodelrefrigerantepormedio de un anlisis trmico. 14. RECOMENDACIONES: Usar obligadamente materiales para el manejo alimenticio, en este caso tuberadeaceroinoxidableparaelserpentnyplanchasdeacero inoxidable para el tanque. Realizarlalimpiezatotaldeltanquecadavezquelalechesea descargada para de esta manera evitar la supervivencia de bacterias. Conocer ms acerca de los refrigerantes. 15. BIBLIOGRAFA: KERN, Donald Q. 1999. Procesos de transferencia de calor. 31 ed. Mxico: Compaa Editorial Continental, S.A. ASHRAE. Fundamentos de transferencia de Calor 1999 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 59 ING. RAMIRO VALENZUELA. Apuntes de Refrigeracin y Aire Acondicionado SALVADOR ESCODA S.A. Manuales, Catlogos y Hojas Tcnicaswww.salvadorescoda.com UNIVERSIDAD DE SEVILLA. DPTO. DE INGENIERA ENERGTICA Y MECNICA DE FLUIDOS Grupo de Termotecnia. Coleccin de Tablas y Grficas de Instalaciones Fro-Calor. CATLOGO DANFOSS Accesorios para Refrigeracin. INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 60 ANEXOS INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 61 Diagrama de Mollier para el Refrigerante R-22 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 62 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 63 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 64 Tablas de Propiedades Termodinmicas del Refrigerante R-22 INGENIERA MECNICA REFRIGERACINPgi na 65 Nombre de archivo:Proyecto Refrigeracin Directorio:C:\Users\usuario\Desktop Plantilla:C:\Users\usuario\AppData\Roaming\Microsoft\Plantillas\Normal.dotm Ttulo:DISEO Y SELECCIN DE UN TANQUE DE REFRIGERACIN DE LECHE Asunto: Autor:Realizado por: Palabras clave: Comentarios: Fecha de creacin:02/08/2011 9:49:00 Cambio nmero:2 Guardado el:02/08/2011 9:49:00 Guardado por:usuario Tiempo de edicin:1 minuto Impreso el:02/08/2011 9:50:00 ltima impresin completa Nmero de pginas: 65 Nmero de palabras:9.288 (aprox.) Nmero de caracteres:51.084 (aprox.)