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7/24/2019 Cuarto de Frio_sandia
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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL
FACULTAD DE INGENIERIA MARITIMA, CIENCIAS
BIOLOGICAS, OCEANICAS Y DE RECUERSOSNATURALES
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Diseo del cuarto de fro
para Sandas.REFRIGERACION Y ACONDICIONAMIENTO DE
AIRE PARA BUQUES
Macas Chiriguaya Oscar
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INTRODUCCIN
El diseo de un cuarto fro no solo debe ser el clculo de la carga trmica del producto,
sino tambin debe incluir parmetros para la ptima conservacin del mismo, la forma
correcta de empacarlo y transportarlo, el tiempo mximo que se debe tener
refrigerado, entre otros. Y aunque hay muchas investigaciones relacionadas con estos
temas, no existe un documento que recopile toda la informacin encontrada, por lo que
se ven casos en donde se han repetido investigaciones en una misma fruta.
Se realizar el estudio y diseo del cuarto de fro para una fruta seleccionada; en este
caso la fruta con la cual se va a trabajar es la sanda; los motivos para escoger esta
fruta, fue asignada por el profesor.
OBJETIVOS
Objetivo General
Disear un cuarto de frio para almacenar sanda.
Objetivos Especficos
Aplicar los conocimientos adquiridos en las materias que conforman la malla
curricular de la carrera de Ingeniera Naval.
Realizar los clculos respectivos de carga trmica a fin de dimensionar
correctamente el cuarto de frio de la fruta.
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Desarrollar correctamente el clculo de la carga de refrigeracin de tal manera
que permita la seleccin ptima de los componentes que conforman el sistema
de aire acondicionado mecnico.
Aprender a utilizar los programas, Bitzer y Frimetal.
CALCULO DE LA CARGA
La carga de refrigeracin total incluye (1) la carga de transmisin, que es el calor
transferido en el espacio refrigerado por su superficie; (2) la carga de producto, que es
el calor quitado y producido por productos trados y mantenidos en el espacio
refrigerado; (3) la carga interna, que es el calor producido por fuentes internas (p.ej.,
luces, motores elctricos, la gente que trabaja en el espacio); (4) la carga por
infiltracin de aire, que es el beneficio de calor asociado con el aire que entra en el
espacio refrigerado; y (5) la carga relacionada con el equipo.
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DESCRIPCIN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIN
El sistema de refrigeracin elegido para el desarrollo de este proyecto es refrigeracin
por compresin de vapor a continuacin se describe tal sistema:
La refrigeracin por compresin es un mtodo de refrigeracin que consiste en forzar
mecnicamente la circulacin de un refrigerante en un circuito cerrado creando zonas
de alta y baja presin con el propsito de que el fluido absorba calor en el evaporador
y lo ceda en el condensador.
En su forma ms sencilla un sistema de refrigeracin consta de cinco componentes:
Compresor, Condensador, Evaporador, Dispositivo de Expansin y Tuberas.
Ilustracin 1. Sistema de Refrigeracin por Aire
Compresor: Es el corazn del sistema, ya que mueve el flujo de refrigerante.
Su funcin es recibir vapor de refrigerante a baja presin (y temperatura)
proveniente del evaporador y comprimirlo a alta presin. El vapor a alta presin
es convertido a fase lquida en el condensador.
Condensador: El condensador absorbe el calor que trae el vapor de
refrigerante a alta presin y lo transfiere al aire forzado que recibe de los
ventiladores, o hacia el agua de enfriamiento, segn sea enfriamiento por aire o
por agua. Dispositivo de Expansin: En fase lquida el refrigerante generalmente es
almacenado y posteriormente llega a la vlvula de expansin.
Evaporador: Equipo donde concluye la evaporacin de la mezcla de
refrigerante lquido-gas, absorbiendo calor del medio que est siendo enfriado.
Todo el refrigerante debe pasar al estado de vapor.
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CUARTO DE FRIO
Se ha encontrado que para asegurarse que un panel no sea daado al momento de su
produccin, manejo, transportacin e instalacin, el grosor mnimo de este debe ser su
largo entre 90, esto nos facilita su manejabilidad. Se recomienda colocar un hueco de
45 cm mnimo en los plafones, con el fin de poder dar mantenimiento a las juntas entre
paneles, sellados, barreras de vapor, fijacin y tornillera. Es importante tener un
estudio de la temperatura mxima externa y la humedad relativa de la regin donde se
pretenda ubicar el inmueble, estos datos nos servirn como referencia para obtener
espesores en los paneles.
Dimensiones Principales
Ilustracin 1. Dimensiones Principales del Cuarto de Frio
Las dimensiones principales de la embarcacin son las siguientes:
Dimensiones del Cuarto a Enfriar
L profundidad [m] 5
W ancho [m] 4
H alto [m] 2.5
t espesor de plancha [m] 0.01
Tabla 1. Dimensiones Principales del Cuarto de Frio
Cabe recalcar que el cuarto de refrigeracin se ha sido diseada para tener cualquierfruta almacenada mxima de 20 das.
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ESPESOR DE A ISLACIN DEL CUARTO DE FRIO
A continuacin se detalla el proceso de clculo del espesor del aislante que cubre la
bodega de almacenamiento.
Eleccin del Material Aislante
Cualquier mtodo utilizado para conseguir oposicin en el flujo de calor se conoce
como aislamiento, el mtodo ms comn de aislamiento es el de cubrir todo lo que
rodea el producto con lminas con distintos materiales, la composicin de estas
lminas vara de acuerdo a las necesidades, pero en general se compone de una
lmina de material aislante de gran espesor rodeada por dos lminas de un metal
inoxidable como el aluminio. Entre mayor sea la diferencia de temperaturas entre el
ambiente externo e interno, mayor debe ser el espesor del material aislante.
La capacidad de aislamiento trmico del poliuretano se debe al gas aprisionado en las
celdillas cerradas del entramado del polmero, lo que hace que sea totalmenteimpenetrable al agua.
El poliuretano al inyectarse en una obra, lo hace particularmente adecuado para su
aplicacin en superficies curvas, discontinuas y provistas de rincones como se
presentar en el cuarto de frio.
Clculo del espesor del Aislante
El revestimiento del cuarto de frio estar constituido principalmente por planchas de
aluminio, mientras que el casco por planchas de acero.
El espesor del aislante (poliuretano) para la superficie que se encuentra sobre la lnea
de flotacin se lo calcular tomando en cuenta los siguientes parmetros de diseo:
Parmetro Valor Unidad
Te(ambiente) 300C
Ti(punto de congelacin) -10C
t aluminio 0.01 m
k aluminio 180 kcal/m*h*0C
k poliuretano 0.02 kcal/m*h*0
C
K1 8 kcal/m2*h
he 29.3 kcal/m2*h*
0C
hi 7.167 kcal/m2*h*
0C
T 310C
T 55.8oF
Tabla 2. Parmetros de diseo
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De la tabla 2, la temperatura interna corresponde al punto de congelacin ms alto del
pescado. El aire exterior se considera conveccin forzada, ya que de acuerdo a la
referencia [] debido a las condiciones de velocidad del viento se puede asumir unefecto de conveccin forzada, de tal forma que los coeficientes de conveccin exterior
e interior son los que se muestran en la tabla 2. Los coeficientes de conductividad
trmica de los elementos que intervienen se los ha obtenido de las tablas
proporcionadas en el libro de Principios de Sistemas de Refrigeracin de Edward Pita.
Despejando la tpoliuretano de la ecuacin (1) se tiene:
( ) ( ) ( ) ( ) ()
Pero de acuerdo a la siguiente tabla, el espesor mnimo del aislante debera ser 3 in.
Temperatura deOperacin [C]
Espesor[in]
15 2
10 2
5 3
0 4
-5 5
-10 6
-15 7
-20 8
-25 9
-30 11
Tabla 3. Espesor del aislante de acuerdo a la temperatura de Operacin
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CALCULO DE LA CARGA
Denominada tambin Carga total de Refrigeracin, esta carga la obtenemos de la
suma de:
Carga trmica por transmisin
Carga trmica del producto
Carga trmica interna
Carga trmica relacionada al equipo
Carga trmica por transmisin
Primero se mostrara la tabla con los datos de entrada, para el clculo del cuarto de
frio:
Dimensiones del cuarto
L: Longitud del cuarto, m 1.13
B: ancho del cuarto, m 1.2
H: Altura del cuarto, m 1.8
t: espesor de la pared del cuarto, m 0.015
At: Area pared transversal, M2 2.16
Al: rea de la pared lateral, m2 2.04
As: rea de la pared superior, m2 1.36
Ilustracin 2. Datos del Cuarto de frio
Datos de Temperatura
Te Temperatura ambiente [C] 14
Tf Temperatura fruta [C] 1.67
Ilustracin 5. Datos de temperatura ambiental y fruta
Para el clculo de este parmetro de acuerdo a la referencia citada la carga
trmica en un lapso de tiempo vendr determinada por la siguiente ecuacin:
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Carga Trmica Por Transmisin
q ganancia de calor [KW] 7.837253731
A rea de la seccin exterior[m2]
42.5
Te Temperatura ambiente300
Ti Temperatura interior 272
T diferencia entre temperatura[K]
572
U coeficiente universal detransferencia de calor total
[W/(m2K)]
0.32238806
x1 espesor de la paredmaterial 1 [m]
0.05
k conductividad trmica de calor
de la pared [W/(mK)]
0.027
hi conductancia trmica de lasuperficie interna [W/(m2K)]
1.6
ho conductancia trmica de lasuperficie externa [W/(m2K)]
1.6
Tabla 4. Carga Trmica por Transmisin
Carga trmica del producto
Las cargas de refrigeracin primarias de productos trados y guardados en el espacio
refrigerado son (1) el calor que debe ser quitado para traer productos a la temperatura
de almacenaje y (2) el calor generado por productos (principalmente frutas y
hortalizas) en el almacenaje. La cantidad de calor para ser quitado puede ser
calculada de la siguiente manera:
Los parmetros considerados para la obtencin de Q2 se muestran en la tabla siguiente:
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Carga Trmica del Producto
m masa de la fruta [kg] 51100
c1 calor especfico del producto
en estado lquido [kJ/(kgK)]
1.74
T1 Temperatura inicial del
producto en estado lquido[C]
300
T2 Temperatura final del
producto en estado lquido
[C]
285
Tf temperatura de congelacin
del producto [C]
272
hif calor latente de fusin del
producto [kJ/kg]
306
c2 calor especfico del producto
en estado slido [kJ/(kgK)]
3.97
t3 temperatura final del
producto por debajo del
punto de congelacin [C]
274.7
Tabla 5. Carga Trmica del Producto
Remplazando estos valores en la ecuacin obtenemos:
Carga Trmica interna
Donde es la temperatura del espacio refrigerado en C. La Tabla 7 muestra la carga
media de la gente en un espacio refrigerado como el calculado en la Ecuacin 2.10.
Cuando la gente primero entra en un almacenaje ellos traen el calor adicional
superficial. As, cuando muchas personas entran y dejan cada pocos minutos, la carga
es mayor que lo calculado en la Tabla 7 y por tanto debe ser ajustada. Un ajuste
conservador puede ser multiplicar los valores resultantes de la Ecuacin 2.10 por 1.25.
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a. Infiltracin por Intercambio de aire
qt ganancia de calor promediopara un periodo de 24 h o
cualquier otro, kW
0.0676
q la carga refrigerada sensible ylatente para el flujo
totalmente establecido, kW
64.03
W espesor de la entrada, m 0.01
H altura de la entrada, m 1.9
Qs/A calor sensible de la carga delaire infiltrado por metro
cuadrado [kW/m2]
2.5
Rs razn de ganancia de calorsensible de la infiltracin aire
0.59
Dt Factor por tiempo deapertura de la entrada
0.026
P nmero de pasillos deentrada
8
p tiempo de abrir cerrar de lapuerta, segundos por pasillo
25
o tiempo de permanencia de lapuerta abierta, min
3
d periodo de tiempo diario, h 4
Df Factor por flujo de la entrada 0.8
E eficacia del dispositivoprotector de la entrada
0.95
Ilustracin 4. Infiltracin por intercambio de aire
La presin negativa en otros lugares de la instalacin, mecanismos que expulsan aire
al recinto sin otro mecanismo que la reemplace es una causa comn de ganancia de
calor por infiltracin de aire caliente. En espacios refrigerados que frecuentemente
abren sus entradas o cualquier otro sistema de pasaje permiten que el flujo de aire
pase directamente por la entrada. El efecto es idntico a las de entradas abiertas
expuestas al viento, y el beneficio de calor puede ser muy grande. La ecuacin 2.16 de
ganancia de calor debida a infiltracin por la entrada directa de aire proporciona la
base para la correccin de la presin negativa o para compensar la capacidad de
refrigeracin:
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b. infiltracin por flujo directo entradas
qt carga media de refrigeracin,kW
0.0072
V velocidad promedio del aire,m/s
1.5
A rea abierta, m2 0.1
ht entalpa de infiltracin delaire, kJ/kg
3.85
hr entalpa del aire refrigerador,kJ/kg
1.98
r densidad del aire refrigerado,kg/m3
0.975
Dt Factor por tiempo de aperturade la entrada
0.026
Ilustracin 5. Infiltracin por flujo directo entradas
Calculando para el aire de infiltracin, los componentes de calor sensible y latente
pueden ser obtenidos trazando la ruta de aire de infiltracin sobre la carta
psicomtrica, se determina el promedio de calor sensible de aire de la carta, y se
calcula as:
Calor sensible y calor latente, respectivamente.
c. Componente de calor sensible y latente
qs calor sensible 0.0441
ql calor latente 0.0307
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SELECCIN DE EQUIPOS PARA EL SISTEMA DE REFRIGERACIN
El sistema a instalar es un sistema de refrigeracin mecnica por compresin de
vapor de una etapa, con un sistema de expansin directa.
El medio condensante que se utilizar es el enfriamiento por aire, ya que evita la
instalacin de un circuito de extraccin de agua de mar.
El sistema de compresin ser de una etapa, ya que la temperatura para la
conservacin de los productos de la pesca no es muy baja, de modo que no se
requerir trabajar con temperaturas de evaporacin muy bajas las cuales requieren
diferencias elevadas de presin entre el condensador y evaporado.
Temperatura de evaporacin TE -11.1 OC
Temperatura del producto TP 1.67OC
Diferencia de temperatura DT 8.9OC
Temperatura de ambiente TA 30OC
Temperatura de Condensacin TC 44OC
Tabla 7. Datos de Diseo
Donde TE=TP-DT
DT para evaporadores de conveccin forzada a una humedad relativa escogida de
60%, se lo obtuvo de la referencia.
La seleccin delos equipos se basar en los resultados obtenidos hasta el momento,
para la seleccin de los mismos se utilizarn los programas de seleccin que los
fabricantes ponen a nuestra disposicin, de modo que facilita en gran medida la
correcta seleccin.
La secuencia recomendada en cuanto a la obtencin de los equipos es la siguiente:
Evaporador
Compresor
Condensador
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Selecc in del Evaporador
Para el diseo de la cmara se utilizarn evaporadores enfriadores de aire con
circulacin forzada y constituida por tubos, el sistema de alimentacin ser de
expansin seca.
A fin de satisfacer las necesidades requeridas por el sistema de refrigeracin el tipo de
evaporador escogido es de plafn, y para la seleccin del mismo se emplear el
software FrimetalKSelect proporcionado por la empresa de evaporadores FRIMETAL.
Con los datos de temperatura de evaporacin y de la cmara el programa entrega una
humedad relativa de 61%.
Resultados Obtenidos:
Ilustracin 6. Serie de Evaporadores FRIMETAL
De las opciones que nos muestra el programa seleccionamos la TERCERA alternativa
es decir la serie MVP modelo 22, ya que entrega una capacidad de aplicacin de 750
(W), cumpliendo de esta manera con la capacidad frigorfica necesaria para el sistema
de refrigeracin.
A continuacin se presenta el modelo del Evaporador seleccionado en detalle:
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Ilustracin 7. Modelo PIAS-112
Ilustracin 8. Evaporador FRIMETAL
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Seleccin del Compresor
El compresor requerido para el sistema de refrigeracin ser semi-hermtico, de
pistones y simple etapa, para la seleccin del mismo se utilizar el programa
BLITZER.
Resultados Obtenidos:
Ilustracin 9. Resultados de los modelos de compresores alternativos semi-
hermticos
El modelo seleccionado es el ESH77-50Y-40S, ya que suministra la potencia frigorfica
requerida para el sistema. (Ver catalogo en Anexo)
Seleccin del Condensador
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El condensador es un intercambiador de calor en el cual se rechaza el calor al medio
condensante que por motivos de factibilidad este ser por medio de aire, para la
seleccin de la unidad condensadora se utiliz el programa BITZER.
Resultados Obtenidos:
Ilustracin 10. Resultados de los modelos de condensadores
De los modelos proporcionados por el programa se seleccion el modelo K033N ya
que el mismo proporciona la capacidad admisible a la temperatura de condensacin
deseada.
CONCLUSIONES:Se puede concluir que fue posible disear con xito el sistema de refrigeracin para un
pesquero artesanal, aplicando los conocimientos adquiridos en lo largo de la carrera
de Ingeniera Naval, aplicando programas fue posible seleccionar los equipos
requeridos para el sistema.