Universidad de Talca Facultad de Ciencias de la Ingeniera

Escuela de Ingeniera Mecnica

Diseo Trmico

(Cmara frigorfica para la conservacin de

carnes de cerdo y pollo)

Alumnos: Sergio Rivera Luis Fernandoy Hugo Mio Docente: Dr. Ing. Gonzalo Salinas S. Modulo: Diseo Trmico. Fecha: 11 de Diciembre de 2013.

II

ndice

Captulo 1 Aspectos Generales........................................................................................................... 1

1.1. Introduccin ............................................................................................................................. 2

1.2. Requerimientos. ...................................................................................................................... 3

1.3. Objetivo General...................................................................................................................... 3

1.4. Objetivos especficos. ............................................................................................................. 3

Captulo 2 Marco terico ..................................................................................................................... 4

2.1. Conservacin y refrigeracin de alimentos. ............................................................................ 5

2.2. Sistema de refrigeracin ......................................................................................................... 5

2.3. Cambios durante el proceso. .................................................................................................. 6

2.3.1. Antes de la congelacin. ................................................................................................. 6

2.3.2. Durante la congelacin. ................................................................................................... 6

2.3.3. Cambios durante la descongelacin ............................................................................... 7

2.4. Aspectos para diseo Cmara de conservacin. .................................................................... 7

2.5. Tiempo de enfriado de las carnes. .......................................................................................... 8

2.6. Aspectos Trmicos. ................................................................................................................. 9

2.6.1. Conduccin. ..................................................................................................................... 9

2.6.2. Radiacin. ........................................................................................................................ 9

2.6.3. Conveccin. ................................................................................................................... 10

Captulo 3 Dimensionamiento de la cmara. .................................................................................... 11

3.1. Almacenamiento de la carne. ................................................................................................ 12

3.2. Restricciones sanitarias. ....................................................................................................... 12

3.3. Dimensionamiento cmara. ................................................................................................... 14

3.3.1. Clculo dimensin cerdos. ........................................................................................ 14

3.3.2. Clculo dimensin pollos. .......................................................................................... 15

3.3.3. Calculo sistema de rieles para el transporte de las canales de cerdo. ..................... 16

Captulo 4 Teora de Clculo............................................................................................................. 20

4.1. Clculo de Cargas Trmicas en Instalaciones Frigorficas. .................................................. 21

4.1.1. Carga por transmisin a travs de las paredes ............................................................ 21

4.1.1.1. Prdida de calor admisible por las paredes .............................................................. 22

4.1.1.2. Diferencia de Temperatura entre el espacio exterior y el espacio refrigerado ......... 22

4.1.1.3. Clculo del espesor de aislamiento ........................................................................... 22

4.1.2. Clculo de carga trmica del producto. ......................................................................... 23

4.1.3. Clculo por respiracin del producto. ............................................................................ 24

4.1.4. Clculo de carga trmica por infiltracin o renovacin de aire. .................................... 24

III

4.1.5. Clculo de carga trmica por fuentes internas. ............................................................. 25

4.1.5.1. Clculo de la carga por personas .............................................................................. 25

4.1.5.2. Clculo del calor generado por el alumbrado. .......................................................... 26

4.1.5.3. Clculo de calor generado por los ventiladores de los evaporadores. ..................... 26

4.1.6. Obtencin de la carga trmica total ............................................................................... 27

Captulo 5 Seleccin de Componentes ............................................................................................. 28

5.1. Ciclo de refrigeracin de la refrigeracin............................................................................... 29

5.1.1. Anlisis termodinmico del ciclo Planck ........................................................................ 29

5.1.1.1. Compresin isotrpica: .............................................................................................. 29

5.1.1.2. Rechazo de calor: ...................................................................................................... 29

5.1.1.3. Expansin isoentlpica: ............................................................................................. 29

5.1.1.4. Admisin de calor: ..................................................................................................... 29

5.2. Equipos. ................................................................................................................................. 30

5.2.1. Compresor ..................................................................................................................... 30

5.2.2. Evaporador .................................................................................................................... 30

5.2.3. Condensador ................................................................................................................. 31

5.2.4. Vlvulas de expansin................................................................................................... 31

5.3. Refrigerante. .......................................................................................................................... 32

5.3.1. Definicin de Refrigerante. ............................................................................................ 32

5.3.2. Identificacin de Refrigerantes ...................................................................................... 32

5.3.3. Requerimientos de los Refrigerantes ............................................................................ 32

5.3.4. Propiedades Termodinmicas. ...................................................................................... 33

5.3.5. Propiedades Fsicas y Qumicas. .................................................................................. 34

5.4. Seleccin Del Refrigerante .................................................................................................... 34

5.4.1. Refrigerante R-134a. ..................................................................................................... 34

5.4.2. Comparacin con otro refrigerante utilizado. ................................................................ 34

5.5. Humidificacin ....................................................................................................................... 35

5.6. Poliuretano. ........................................................................................................................... 35

5.6.1. Caractersticas del poliuretano. ..................................................................................... 36

5.7. Cable Calefactor AKO-5231. ................................................................................................. 36

5.7.1. Caractersticas. .............................................................................................................. 36

Captulo 6 Costos .............................................................................................................................. 37

6.1. Matriz de costos. ................................................................................................................... 38

Captulo 7 Referencias ...................................................................................................................... 39

7.1. Referencias Bibliogrficas. .................................................................................................... 40

7.2. Pginas web. ......................................................................................................................... 40

IV

Anexos ............................................................................................................................................... 41

Memoria de clculo. .......................................................................................................................... 42

Apndice A: Clculo sistema rieles para cerdo. ............................................................................ 42

Apndice B: Clculo de Cargas Trmicas ..................................................................................... 42

Clculo del espesor del aislante ................................................................................................ 42

Clculo Calor Que Atraviesa la Pared ....................................................................................... 44

Clculo de carga trmica del producto ...................................................................................... 45

Clculo de carga trmica por infiltracin o renovacin de aire .................................................. 46

Clculo de carga trmica por fuentes internas .......................................................................... 47

Clculo de calor generado por los ventiladores de los evaporadores ....................................... 48

Obtencin de la carga trmica total ........................................................................................... 49

Anexo C: Ciclo de Refrigeracin en la Cmara ............................................................................. 49

Clculo Flujo Msico del refrigerante ......................................................................................... 50

Clculo de la potencia del compresor ........................................................................................ 50

Clculo calor rechazado al medio .............................................................................................. 50

Apndice D: Tablas. ...................................................................................................................... 51

Apndice E: Catlogos. ................................................................................................................. 55

Poliuretano. ................................................................................................................................ 55

Compresor.................................................................................................................................. 56

Evaporador. ................................................................................................................................ 57

Condensador .............................................................................................................................. 59

Vlvula de expansin. ................................................................................................................ 60

Presostato .................................................................................................................................. 61

Vlvula Selenoide. ..................................................................................................................... 62

Vlvula retencin. ....................................................................................................................... 63

ndice de figuras.

Figura 1. Formacin de cristales de hielo. .......................................................................................... 6 Figura 2. Cajones de pollos. .............................................................................................................. 16 Figura 3. Diagrama de carga de vigas. ............................................................................................. 18 Figura 4. Dimensiones cmara frigorfica. ........................................................................................ 19 Figura 5. Dimensiones transpaleta. .................................................................................................. 20 Figura 6. Componentes Ciclo refrigeracin. ...................................................................................... 29

V

ndice de tablas.

Tabla 1. Extracto temperatura de conservacin de cerdo. ............................................................... 12 Tabla 2. Extracto temperatura de conservacin de aves. ................................................................. 12 Tabla 3. Porcentaje de agua admisible en bandejas. ....................................................................... 13 Tabla 4. Caractersticas carnes a conservar. .................................................................................... 14 Tabla 5. Dimensiones bandeja de pollo. ........................................................................................... 15 Tabla 6. Esfuerzos de fluencia Fy y Fu. ............................................................................................ 17 Tabla 7. Seleccin de vigas. ............................................................................................................. 18 Tabla 8. Especificaciones tcnicas Ako-5231. .................................................................................. 36 Tabla 9. Costos. ................................................................................................................................ 38 Tabla 10. Caractersticas materiales pared. ..................................................................................... 43 Tabla 11.Calor de aire. ...................................................................................................................... 46 Tabla 12.Renovaciones de aire para cmaras de conservacin y congelacin ............................... 46 Tabla 13.Potencia Liberada en W por las personas segn las temperaturas de la cmara en C .. 47 Tabla 14.Lmparas LEDs Con sus respectivas potencias y eficacias.............................................. 48 Tabla 15. Propiedades del R-134a Saturado, Tabla de presin. ...................................................... 51 Tabla 16.Propiedades del R-134a saturado, Tabla de temperatura ................................................. 52 Tabla 17.Propiedades de aire seco a presin atmosfrica. .............................................................. 53 Tabla 18. Entalpa del aire a baja presin. ........................................................................................ 54

ndice de grficos

Grafico 1.Crecimiento bacteriolgico en carne almacenada a diversas temperaturas....................... 5 Grafico 2. Curvas de tiempos de refrigeracin. ................................................................................... 8 Grafico 3.Ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor ....................................................... 49

ndice de Ecuaciones.

Ecuacin 1.Ley de Fourier .................................................................................................................. 9 Ecuacin 2. Ley de Stefan-Boltzmann. ............................................................................................... 9 Ecuacin 3. Ley de Newton. .............................................................................................................. 10 Ecuacin 4. Cantidad de medias canales. ........................................................................................ 14 Ecuacin 5. Clculo carga mxima. .................................................................................................. 14 Ecuacin 6. Clculo Longitud Riel. ................................................................................................... 15 Ecuacin 7. Cantidad de Pollos ........................................................................................................ 15 Ecuacin 8.Nmero de Cajas. ........................................................................................................... 15 Ecuacin 9. Esfuerzo de Fluencia. .................................................................................................... 16 Ecuacin 10.Modulo Resistente. ....................................................................................................... 16 Ecuacin 11. Momento. ..................................................................................................................... 16 Ecuacin 12. Temperatura exterior. .................................................................................................. 22 Ecuacin 13. Filtraciones de Calor. .................................................................................................. 22 Ecuacin 14.Coeficiente Global de Transferencia de Calor. ............................................................ 23 Ecuacin 15. Espesor de aislamiento. .............................................................................................. 23 Ecuacin 16. Carga trmica del producto. ........................................................................................ 23 Ecuacin 17. Estimacin Calores especficos. ................................................................................. 24

VI

Ecuacin 18.Calor por Respiracin del producto. ............................................................................. 24 Ecuacin 19. Calor Renovaciones de aire. ....................................................................................... 25 Ecuacin 20. Carga por personas. .................................................................................................... 25 Ecuacin 21. Carga alumbrado. ........................................................................................................ 26 Ecuacin 22. Carga ventiladores. ..................................................................................................... 26 Ecuacin 23.Carga trmica total. ...................................................................................................... 27

1

Captulo 1 Aspectos Generales

2

1.1. Introduccin

Desde tiempos inmemoriales que el hombre ha buscado conservar sus alimentos despus de la

recoleccin o incluso la casa, con el fin de no perder lo que le sobraba de cada faena, es as que

empiezan a inventarse mtodos para su conservacin. Centrndonos en la carne como tal, es aqu

en donde el hombre de antao invento la refrigeracin, conservando su presa mediante el uso de

hielo en sus cuevas para as con el paso del tiempo llegar a las llamadas cmara de frio o

frigorficas.

La refrigeracin de carne en la actualidad es un proceso muy importante dentro de la alimentacin,

permitiendo el almacenamiento y su posterior venta en condiciones ptimas para su consumo, ya

que este mtodo a diferencia de los mtodos de salado de carne o ahumado, no daa las

propiedades elementales del producto, si se efecta de buena manera y siguiendo las normas

establecidas.

Es as como se llega a las cmaras de refrigeracin para carne, en las cuales hay que tener en

cuenta una serie de parmetros para su diseo y un manejo de las normas que permitan un buen

desarrollo al producto que se quiere entregar. Lo que se ver plasmado en la realizacin de este

informe.

3

1.2. Requerimientos.

El cliente solicita el diseo de una cmara para conservacin de carnes de cerdo y pollo, la cual

debe cumplir con las siguientes caractersticas:

Capacidad de 1 ton de carne de cerdo, adems de 0.5 ton de carne de pollo

Cumplir las normas segn la SEREMI DE SALUD.

La carne debe ser capaz de permanecer una semana dentro de la cmara, para luego estar

en condiciones de ser consumida.

1.3. Objetivo General.

Diseo de una cmara para conservacin de carne de cerdo y pollo

1.4. Objetivos especficos.

Cumplir con las fechas estipuladas.

Cumplir con las condiciones que estableci el cliente.

Estudiar las alternativas de solucin posibles al problema.

Seleccionar una alternativa solucin.

Clculo de partes y equipos necesarios.

Seleccin de equipos.

Realizar un costeo de todos los elementos y equipos.

Realizar croquis del sistema final.

4

Captulo 2 Marco terico

5

2.1. Conservacin y refrigeracin de alimentos.

Para el estudio del diseo de una cmara de conservacin de alimentos es necesario conocer el

comportamiento de los alimentos a refrigerar en funcin de la temperatura y la humedad. Para esto

es necesario tener un control de la temperatura y la humedad.

El manejo de la temperatura est directamente asociado a la descomposicin de la materia (carne

de animal en este caso). En la cual el frio no destruye los microorganismos presentes, sino que

demora y la reproduccin de estos agentes. Donde en el siguiente grafico se puede observar una

relacin entre los logaritmos de UFC Unidades Formadoras de Colonias (representa un nmero

de bacterias por unidad de rea) v/s los das. En la cual se establecen temperaturas de trabajo y

rango en que hay modificaciones importantes en la carne como el olor o la viscosidad.

Grafico 1.Crecimiento bacteriolgico en carne almacenada a diversas temperaturas.

2.2. Sistema de refrigeracin

Para la refrigeracin de la carne, generalmente se utilizar sistemas de enfriamiento de aire

mediante sistemas mecnico. Donde la refrigeracin consta de dos etapas relevantes:

Disminucin de la temperatura de la carne.

Mantenimiento de la carne a baja temperatura.

Para lograr un correcto funcionamiento de la cmara considerando estas etapas, se deben manejar

3 parmetros: temperatura, humedad relativa y velocidad del aire. Otros mtodos de enfriamiento

son la utilizacin de lquidos refrigerantes. Entre los refrigerantes utilizados en la actualidad se

encuentran:

R134

R404A

R407

R22

R12 Fren

R505

6

Para la refrigeracin mediante tcnicas frigorficas existen 4 puntos importantes a manejar:

Los productos a conservar deben encontrarse inicialmente sanos.

Es necesario seleccionar un refrigerante adecuado

Es importante mantener la cadena de frio durante el periodo de refrigeracin

Se deben cumplir las temperaturas y humedades relativas correspondientes a cada tipo de

alimento que se refrigere.

2.3. Cambios durante el proceso.

2.3.1. Antes de la congelacin.

Despus del sacrificio del animal se inicia la transformacin de glucgeno en cido lctico

de manera irreversible.

Los pigmentos cambian de color por reacciones redox, las grasas se oxidan, las enzimas

hidrolticas degradan a los tejidos reblandecindolos.

2.3.2. Durante la congelacin.

El volumen del alimento congelado aumenta y se forman cristales de hielo durante el enfriamiento. (Figura 1)

En la congelacin lenta los cristales son de mayor tamao, acumulndose en las clulas, en cambio en la congelacin rpida son de menor tamao.

Las clulas pierden agua por la formacin de hielo con lo que aumenta la concentracin de los solutos no congelados disminuyendo continuamente el punto de congelacin hasta un equilibrio.

Esto produce una aceleracin de la precipitacin y desnaturalizacin de las protenas ocasionando cambios irreversibles en los sistemas coloidales.

Las reacciones qumicas y enzimticas continan muy lentamente.

Las protenas de las carnes (aves y pescados) sufren una deshidratacin irreversible.

Las grasas pueden oxidarse e hidrolizarse.

Los alimentos pueden desecarse superficialmente, cuando se subliman los cristales de hielo distribuidos en su parte exterior; produciendo las llamadas quemaduras de hielo. (Frutos, hortalizas, aves y pescados).

Figura 1. Formacin de cristales de hielo.

7

2.3.3. Cambios durante la descongelacin

Durante la descongelacin se acelera la accin enzimtica; y si esta es muy lenta, se puede producir desarrollo microbiano.

Las carnes al descongelarse producen un exudado o sangra (prdida de lquido).

2.4. Aspectos para diseo Cmara de conservacin.

Para el diseo de la cmara de conservacin es importante considerar el lugar en donde se desea

situar dicho equipo.

Cuando la cmara este situada al aire libre, esta debe de evitar la exposicin directa al sol.

Donde ser necesario utilizar un doble techo o paredes con paso de aire intermedias a la

cmara.

En caso de la utilizacin de una cuartos ya construidos o elementos de ella (paredes pisos,

etc.) ser necesario el anlisis de las prdidas de calor y la humedad presentes en los

elementos a aprovechar.

Se deber disponer un sistema de iluminacin dentro de la cmara, que se maneje desde

el exterior de esta.

La disposicin y utilizacin de barras, ganchos y cajas de almacenaje depender de la

cantidad y del tipo de producto a almacenar.

8

2.5. Tiempo de enfriado de las carnes.

Grafico 2. Curvas de tiempos de refrigeracin.

Curva A: refrigeracin ultrarrpida (tiempo de semi-enfriamiento 4 horas); existe riesgo de

acortamiento por el frio

Curva B: refrigeracin rpida (tiempo de semi-enfriamiento 8 horas); no existe riesgo de

acortamiento por frio ni de putrefaccin

Curva C: refrigeracin lenta (tiempo de semi-enfriamiento 20 horas); existe riesgo de

putrefaccin.

Dados los tipos de enfriamiento posibles, se estima que el enfriamiento rpido es el ms

beneficioso. Debido a que en el enfriamiento lento se corre el riesgo de putrefaccin. Y en el

enfriamiento ultrarrpido se produce el acortamiento por frio (cambia el endurecimiento de la carne,

en relacin a la dureza con la cual entro al proceso de refrigeracin)

Refrigeracin Rpida: es el proceso ms adecuado para la conservacin de alimentos, donde las

canales son llevadas a dos condiciones

1.- en el primer tiempo: el aire se encuentra en un rango de -2 a 4C, donde la circulacin del aire

es de 1,5 a 2 m/s con una HR (humedad relativa) del 90%. Esta fase se denomina semi-

enfriamiento, cuyos tiempos son de 8 hrs para el vacuno y 4 hrs para el cerdo aproximadamente.

2.- en la segunda fase se reduce la velocidad del aire, y la temperatura es de 0C.

9

2.6. Aspectos Trmicos.

Los fenmenos de transferencia de calor corresponde al traspaso de energa trmica, este

fenmeno se representa a travs de los cambios de temperatura. Los mecanismos de transferencia

de calor son:

2.6.1. Conduccin.

Es el mecanismo de traspaso de energa entre dos o ms cuerpos slidos. En flujo de calor va de

mayor a menor temperatura.

El modelo matemtico de este fenmeno se representa por la Ley de Fourier

Ley de Fourier:

Ecuacin 1.Ley de Fourier

Donde:

q= es el flujo de calor por conduccin

k= conductividad trmica del material

A= rea transversal al flujo de calor

dT= variacin de temperatura

dx= variacin de espesor del material

2.6.2. Radiacin.

Es el mecanismo de transferencia donde el traspaso de energa se realiza entre dos o ms

cuerpos con distinta cantidad de energa. Donde los cuerpos poseen una distancia entre s.

El modelo matemtico para la radiacin est dado por la Ley de Stefan-Boltzmann

Ley de Stefan-Boltzmann

Ecuacin 2. Ley de Stefan-Boltzmann.

Donde

q= es el flujo de calor por radiacin

= Constante de Stefan-Boltzmann

10

A= rea de radiacin

= factor de emisividad

= factor de forma

T1= temperatura superficial

T2= temperatura del cuerpo receptor

2.6.3. Conveccin.

Es una de las tres formas de transferencia de calor, donde el flujo se produce a travs de un medio

fluido, sea liquido o gas. El modelo asociado a la conveccin est dado por la Ley de enfriamiento

de Newton:

| |

Ecuacin 3. Ley de Newton.

Donde:

q = flujo de calor por conveccin

= coeficiente pelicular convectivo medio

A= rea de transferencia de calor

= temperatura del fluido

= temperatura superficial del cuerpo

11

Captulo 3 Dimensionamiento de la

cmara.

12

3.1. Almacenamiento de la carne.

La carne sin un sistema de refrigeracin o carne fresca es muy propensa al ataque de bacterias del

aire, la reproduccin de estas aumenta a medida que aumenta la temperatura y la humedad, es por

esto que cuando no se dispone de un sistema de refrigeracin la carne debe ser vendida dentro de

las primeras 12 hrs desde la muerte del animal.

Como se menciona anteriormente los cambios fsicos, qumicos y microbiolgicos en la carne

fresca son estrictamente una funcin de la temperatura y la humedad. El control de la temperatura

y la humedad constituye en la actualidad el mtodo ms importante de conservacin de la carne

para atenerse a las necesidades del mercado.

La temperatura ideal de almacenamiento de la carne fresca oscila en torno al punto de congelacin

alrededor de -3C para el cerdo y el pollo.

Tabla 1. Extracto temperatura de conservacin de cerdo.

Tabla 2. Extracto temperatura de conservacin de aves.

3.2. Restricciones sanitarias.

En el diseo de la cmara de conservacin de carne, el cliente solicito regirse por las normas

establecidas por la SEREMI de Salud REGLAMENTO SANITARIO DE LOS ALIMENTOS DTO.

13

N 977/96 (D.OF. 13.05.97), donde tenemos los siguientes artculos que se aplicaran al diseo de

dicha cmara.

Segn lo establecen los Artculos desde el 1 hasta el 4 se tiene que la produccin, importacin,

elaboracin, envase, almacenamiento, distribucin y venta de los alimentos debe realizarse segn

las condiciones sanitarias del reglamento sanitario de alimentos. Ya estas normas se establecieron

para proteger la salud y nutricin de la poblacin suministrando productos sanos e inocuos.

Desde los artculos 268-280 se establecen las normas correspondientes a los alimentos de carne

de origen de diversos orgenes, donde el de origen porcino ser el necesario estudiar para el

diseo de la cmara de conservacin.

El artculo 270 establece las condiciones a la cual debe estar la carne estableciendo la

importancia de olor, color y tacto.

El artculo 271 establece que la temperatura a la cual debe estar la carne para

conservacin, va desde un rango de temperaturas entre 0 a 7C. Esto segn mediciones

correspondientes al decreto N94 de los Ministerios de Agricultura y Salud.

Estos artculos sern los relevantes para la conservacin de la carne de cerdo.

Entre los artculos 281-290 se encuentran las consideraciones para la carne de ave, donde estn:

El artculo 281 establece que se deben extraer: sangre, plumas, patas, cabeza, buche,

trquea, esfago, vsceras, pulmones y rganos genitales del animal.

El artculo 286 menciona que la temperatura mxima a ser enfriada la carne de ave trozada

es de 2C

El artculo 293 norma las cantidades de agua residual mximas admisibles que se pueden

encontrar en las carcasas.

Para aves refrigeradas:

Enfriamiento por Aire 3%

Enfriamiento Mixto (Agua y Aire) 6%

Enfriamiento por agua 8%

Tabla 3. Porcentaje de agua admisible en bandejas.

Adems se toman las siguientes consideraciones para el dimensionamiento:

Piso del material impermeable, antideslizante y con pendiente hacia el punto de drenaje.

Las paredes, techos y puertas debern estar revestidos con un material impermeable de

fcil lavado y desinfeccin, y las puertas debern tener dispositivos que permitan su

apertura desde el interior.

Buena iluminacin y una calidad tal que no altere el color natural de las canales y

subproductos.

Rieles para canales de ganado mayor que debern estar a una distancia mnima entre s

de 80 cm. y a no menos de 60 cm. de paredes y pilares.

Los rieles para canales de ganado menor, debern estar a una distancia mnima entre s

de 50 cm.

14

Altura de rieles desde el piso no menor de 3.30 m para medias reses vacunas o 2,50 m

para cuartos vacunos.

Los rieles debern tener una altura tal que las canales de cualquier especie, al estar

suspendidas, queden a una distancia mnima de 30 cm. del piso. Debern mantenerse

limpias y no debern contener elementos ajenos a la actividad normal que en ella se

desarrolle.

Carga de riel 3 medias reses por metro.

Los equipos de refrigeracin debern ser capaces de mantener las temperaturas internas

de las carnes, exigidas en este proyecto.

3.3. Dimensionamiento cmara.

Para el dimensionamiento de la cmara para conservacin de carne de cerdo y pollo se toman

consideraciones diferentes para cada tipo animal, ya que su conservacin es diferente, ya que el

cerdo se almacena en rieles que mantienen la canal completa o media canal, dependiendo de

cmo se quiera conservar, a diferencia del pollo que se almacena en bandejas. Por estos motivos

se tiene una consideracin general y despus se procede individualmente:

Tipo de carne Peso Promedio Densidad carga

Cerdo 90 kg 135 kg mlineal

Pollo 2 kg

Tabla 4. Caractersticas carnes a conservar.

3.3.1. Clculo dimensin cerdos.

El cerdo faenado se trabaj en canales, esto quiere decir que una canal es un cerdo entero sin

vsceras y cabeza, por ende media canal es la mitad del cerdo faenado, se almacenan en rieles,

que es un dispositivo que permite una mejor manipulacin de la carne del cerdo.

Cantidad de medias canales.

Ecuacin 4. Cantidad de medias canales.

Calculo carga mxima real riel.

Ecuacin 5. Clculo carga mxima.

15

Calculo longitud riel.

Ecuacin 6. Clculo Longitud Riel.

3.3.2. Clculo dimensin pollos.

Como se mencion anteriormente, la carne de pollo se conserva de diferente manera a la de

cerdo, en este caso se conservan en cajas, las cuales deben almacenar de manera que formen

columnas de no ms de 5 de estas de altura, con una separacin mnima de 5 cm entre columnas,

cada columna ira asentada al piso en base de plstico de mnimo 5 cm de altura en relacin al

piso.

Parmetro Dimensin (mm)

Largo 595

Ancho 400

Alto 170

Tabla 5. Dimensiones bandeja de pollo.

Cantidad de pollos.

Ecuacin 7. Cantidad de Pollos

Nmero de cajas.

Ecuacin 8.Nmero de Cajas.

16

Figura 2. Cajones de pollos.

3.3.3. Calculo sistema de rieles para el transporte de las canales de cerdo.

Para determinar el tipo de viga que se ve a utilizar en el transporte de las canales de cerdo es

necesario determinar el modulo resistente que se obtiene a partir de la ecuacin del esfuerzo de

fluencia que se denomina .

Ecuacin 9. Esfuerzo de Fluencia.

Ecuacin 10.Modulo Resistente.

Donde:

= Esfuerzo de Fluencia [kg/cm2]

M = Momento [kg/cm]

S = Modulo Resistente [cm4]

En donde el momento M se calcula:

Ecuacin 11. Momento.

17

Donde:

W = Carga mxima [kg/m]

L = Longitud de la viga [m]

Adems se toma un factor de seguridad n = 0,6, para calcular el esfuerzo de fluencia:

Para la construccin de los rieles se seleccion el acero de la norma ASTM (Sociedad Americana

de Ensayos y Materiales) A 36, que presenta las siguientes caracterististicas tiene un esfuerzo de

fluencia de 2 530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi) y un esfuerzo mnimo de ruptura en tensin de 4 080

kg/cm2 a 5 620 kg/cm2 (400 a 550 MPa, 58 a 80 ksi), y su soldabilidad es adecuada. Se desarroll

desde hace muchos aos en Estados Unidos para la fabricacin de estructuras remachadas,

atornilladas y soldadas, soldadas empezaron a desplazar a las remachadas que pronto

desaparecieron.

Tabla 6. Esfuerzos de fluencia Fy y Fu.

(1) Norma mexicana.

(2) American Society for Testing and Materials.

(3) Valor mnimo garantizado del esfuerzo correspondiente al lmite inferior de fluencia del

material.

(4) Esfuerzo mnimo especificado de ruptura de tensin. Cuando se indican dos valores, el

segundo es el mximo admisible.

(5) ASTM especifica varios grados de acero A500, para tubos circulares y rectangulares.

(6) Para perfiles estructurales; para palcas y barras, ASTM especifica varios valores que

dependen del grueso del material.

(7) Depende del grado, ASTM especifica grados 50, 60, 65 y 70.

18

Teniendo clara la carga de los canales de cerdo 135 kg/m que es lo que deben soportar los rieles y

suponiendo que la carga se distribuye uniformemente sobre la viga como indica la figura.

Figura 3. Diagrama de carga de vigas.

El largo en el cual se encuentran estas vigas en el mercado son 6 metros, por lo cual se trabaja

con este largo.

Una vez calculado el modulo resistente se busca en tabla el valor ms cercano y se selecciona la

viga que se utilizara.

Tabla 7. Seleccin de vigas.

19

Figura 4. Dimensiones cmara frigorfica.

Mediante el procedimiento antes mencionado la cmara frigorfica alcanzo las siguientes

dimensiones 5,04 m x 4,08 m x 2,7 m.

Las dimensiones de la puerta sern de 1 m x 2 m, con el fin de minimizar las prdidas por

infiltraciones y poder operar sin ningn problema los productos mediante el uso de una transpaleta

manual.

20

Figura 5. Dimensiones transpaleta.

Captulo 4 Teora de Clculo.

21

4.1. Clculo de Cargas Trmicas en Instalaciones Frigorficas.

Para seleccionar el equipo de refrigeracin necesario, es preciso estimar o calcular la carga

trmica del espacio a refrigerar, que llamaremos Cmara. Las ganancias de calor que forman

parte de la carga trmica total, proceden de cinco fuentes fundamentales:

Carga por transmisin a travs de las paredes:

Clculo de espesores de aislamiento y transferencia de calor a travs de las paredes exteriores.

Carga del producto:

Calor contenido en el producto refrigerado y almacenado.

Carga por respiracin del producto.

Para frutas y hortalizas.

Carga por renovacin del aire

Calor asociado al aire que entra en el espacio refrigerado.

Carga por fuentes internas

Carga de calor correspondiente al calor desprendido por las personas que trabajan en el interior de

la cmara, por el alumbrado, motores elctricos, etc.

Carga de las personas: Calor desprendido por las personas que trabajan en el interior de la

cmara frigorfica.

Carga del alumbrado: Calor desprendido por las lmparas en el interior de la cmara.

Carga de los ventiladores: Calor asociado a los ventiladores de los evaporadores.

Otras cargas por servicio.

4.1.1. Carga por transmisin a travs de las paredes

Para la realizacin de ste clculo se debe tener en cuenta los siguientes datos:

Tipo de aislamiento

Coeficientes de conductividad trmica

Temperatura exterior

Temperatura interior

Mxima prdida admisible

Coeficientes de conveccin

22

4.1.1.1. Prdida de calor admisible por las paredes

Es la cantidad de calor que puede permitir que se pierda en una pared por unidad de superficie

(Q/A).

Muchos autores suelen fijar el valor de las prdidas de calor en 10 W/ para temperaturas

positivas y 8 W/ para temperaturas negativas; si bien el instituto del fro de Paris recomienda 8

W/ para el primer caso y 6 W/ para el segundo caso.

Por lo tanto se tomar valores de 8 W/ para cmaras de conservacin y 6 W/ para cmaras

de congelacin.

4.1.1.2. Diferencia de Temperatura entre el espacio exterior y el espacio

refrigerado Las temperaturas exteriores consideradas para aquellos lugares de la cmara que estn

directamente con el exterior sern las recomendadas por el ministerio correspondiente para cada

zona geogrfica. En caso de no conocer este valor se puede calcular mediante:

Ecuacin 12. Temperatura exterior.

Dnde:

T.mx: T mxima de la zona en el tiempo de funcionamiento de la cmara. T.med: T media de la zona en el tiempo de funcionamiento de la cmara.

4.1.1.3. Clculo del espesor de aislamiento

El clculo del espesor de aislamiento se debe realizar para cada uno de las paredes que

componen la cmara frigorfica, teniendo en cuenta las diferencias constructivas y de temperatura

que hay en cada uno de ellos.

Se tiene entonces la frmula general de la ganancia o prdida de calor:

Ecuacin 13. Filtraciones de Calor.

Dnde:

Q= Filtraciones de calor, en W

U= Coeficiente global de transferencia de calor, en W/ C A= rea o superficie de transferencia de calor, en = Diferencia de Temperaturas del exterior y del interior de la cmara, en C

23

Y la frmula del coeficiente global de transferencia de calor viene dado por:

Ecuacin 14.Coeficiente Global de Transferencia de Calor.

Dnde:

= Espesor del material i que compone la pared, en = Conductivad trmica del material i que compone la pared, en W/ C = Coeficiente pelicular convectivo interior, en W/

C

= Coeficiente pelicular convectivo exterior, en W/ C

Por lo tanto, el espesor de aislamiento para cada pared y/o techo queda dado por:

[

(

)]

Ecuacin 15. Espesor de aislamiento.

4.1.2. Clculo de carga trmica del producto.

Se calcular el calor del producto para poder llevarlo a la temperatura del espacio refrigerado, que

ser el calor sensible a extraer, para enfriar el producto, desde su temperatura inicial hasta la de

refrigeracin y la cual viene dada por:

Ecuacin 16. Carga trmica del producto.

Dnde:

= Calor sensible en W = Masa del producto en Kg/s = Calor especfico del producto en J/Kg C = Diferencia de temperaturas entre la temperatura inicial del producto y la temperatura de refrigeracin del mismo.

Cabe destacar que no se calcular el calor latente del producto, ya que no har presente la

congelacin del producto en s.

Los valores de los calores especficos de las carnes antes de la congelacin a ingresar a la cmara

estn determinados por tabla, determinados por el ministerio correspondiente.

24

Si no lo estuvieran, hay relaciones aproximadas para calcularlos, las cuales seran las siguientes:

(

)

Ecuacin 17. Estimacin Calores especficos.

Siendo:

= Cantidad de agua en la carne en % = Cantidad de materia orgnica en la carne en %, donde se toma como calor especifico de la materia orgnica 0,4 Kcal/Kg C = 1673,6 J/Kg C.

Si se desconoce el dato del contenido en agua ni el calor especfico del producto se puede tomar

como calor especfico 0,85 Kcal/Kg C = 3556,4 J/Kg C.

4.1.3. Clculo por respiracin del producto.

Aunque no se calculara ya que es para frutas y vegetales, es importante conocerlo. Las frutas y los

vegetales continan con vida despus de su recoleccin y tambin continan sufriendo cambios

mientras estn almacenadas. Lo ms importante de esos cambios son los producidos por la

respiracin, que es un proceso durante el cual el oxgeno del aire se combina con los carbohidratos

en el tejido de la planta dando como resultado la formacin de dixido de carbono y calor. El calor

eliminado es llamado calor de respiracin y debe ser considerado como una parte de la carga del

producto donde cantidades considerable de frutas y/o vegetales estn almacenadas a una

temperatura superior a la de congelacin. La cantidad de calor involucrada en el proceso de

respiracin depende del tipo y temperatura del producto.

La carga del producto proveniente del calor de respiracin se calcula multiplicando la masa total

del producto por el calor de respiracin obtenido de las tablas. Se tiene:

Ecuacin 18.Calor por Respiracin del producto.

Para el producto almacenado se toma como calor de respiracin de 0,4 Kcal/Kg C = 1673,6

J/Kg C.

Si no se conoce el valor del calor de respiracin del producto diario de entrada en la cmara se

toma el valor de 2,2 Kcal/Kg C = 9204,8 J/Kg C.

4.1.4. Clculo de carga trmica por infiltracin o renovacin de aire.

Cada vez que la cmara se abre al aire exterior penetra en la zona de refrigeracin. La

temperatura y humedad relativa del aire exterior, que es aire clido debe ser integrado en las

condiciones interiores de la cmara, con lo que hay un incremento de la carga. El calor a extraer

del aire exterior, para adaptarlo a las condiciones interiores de la cmara, se obtienen del diagrama

psicromtrico, teniendo en cuenta las condiciones de entrada del aire y del mismo dentro de la

cmara.

25

La tabla de renovaciones no debe usarse cuando se prevea una ventilacin con aire exterior. La

carga de ventilacin, en estas condiciones, reemplazar la relativa a la apertura de las puertas.

Para reducir las infiltraciones a travs de las puertas, pueden utilizarse varios sistemas, entre los

que se encuentran, las cortinas de aire o bandas elsticas, las antecmaras y las puertas

automticas. Las tablas de renovaciones, indican que numero de cambios de aire en 24 horas,

para distintos volmenes de cmaras obviamente son basados en experiencias prcticas.

El calor por renovacin del aire se calcular aplicando la frmula:

Ecuacin 19. Calor Renovaciones de aire.

Dnde:

= Calor por renovaciones de aire, en W = Volumen de la cmara, en m3

= Calor del aire en W/m3, obtenido por diagrama psicomtrico o por tabla. Si se desconoce el nivel de infiltraciones que pueda tomar la cmara podemos estimar las prdidas

por este motivo:

Para cmaras grandes de almacenamiento en un 10%

Para cmaras de almacenamiento y distribucin en un 25%

Para cmaras pequeas en un 40%

Por ejemplo, para cmaras grandes sera:

4.1.5. Clculo de carga trmica por fuentes internas.

4.1.5.1. Clculo de la carga por personas

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

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

suficiente para que se libere calor. La energa calrica cedida por los ocupantes est en funcin

directa de la actividad que desarrolle en el interior del espacio. Existen valores determinados para

ciertas actividades que se pueden desarrollar en el rea a tratar, los cuales se localizan para su

uso prctico en tablas. Los valores que se muestran en estas tablas como el equivalente del calor

por persona (ECPP) es la suma del calor sensible ms su correspondiente calor latente.

Las personas desprenden calor en distintas proporciones, dependiendo de la temperatura, tipo de

trabajo, corpulencia, etc. Dado el grado de aleatoriedad de esta variable se toma directamente de

tabla.

El calor total de las personas ser:

Ecuacin 20. Carga por personas.

26

Siendo:

= Nmero de personas que entran a la cmara. = Calor desprendido por persona. = tiempo medio de permanencia de las personas en la cmara.

4.1.5.2. Clculo del calor generado por el alumbrado. Se asocia bsicamente al calor generado por la iluminacin que habr dentro de la cmara, ya

sean lmparas, tubos fluorescentes o lo que sea ocupado para esta necesidad. Si se conoce la

potencia del alumbrado instalado el valor del calor generado ser:

Ecuacin 21. Carga alumbrado.

Dnde:

= Numero luminarias. = Potencia luminarias. = Eficiencia Luminarias.

Para los tubos fluorescentes se toma un 25 % de incremento de la potencia instalada. Si se

desconoce la potencia instalada se pueden tomar para zonas de almacenamiento 12 W/ y para

zonas de trabajo 27 W/ . En este ltimo clculo, hemos de tener en cuenta que 1 W en lmparas

incandescentes normales equivalen a aproximadamente 0,2 W en lmparas de bajo consumo.

4.1.5.3. Clculo de calor generado por los ventiladores de los

evaporadores. Como la potencia de los ventiladores se desconoce a priori se considerar para este concepto un

10 % de la suma de las potencias ya calculadas en los apartados anteriores, por lo que queda de

la siguiente manera:

Ecuacin 22. Carga ventiladores.

Dnde se tiene:

= Carga trmica generada por las paredes. = Carga trmica generada por las personas u ocupantes. = Carga trmica generada por las infiltraciones o renovaciones de aire. = Carga trmica generada por el alumbrado, iluminacin dentro de la cmara. = Carga trmica generada por la carne o producto a enfriar.

27

4.1.6. Obtencin de la carga trmica total

Para obtener la carga trmica total se debe sumar todas las cargas obtenidas anteriormente y

aplicarle un factor de seguridad de un 10 % con lo que quedara de la siguiente manera:

Ecuacin 23.Carga trmica total.

Se deben tener en cuenta para calcular la carga trmica total, las horas de funcionamiento de los

equipos.

28

Captulo 5 Seleccin de Componentes

29

5.1. Ciclo de refrigeracin de la refrigeracin.

Para el sistema de refrigeracin opere correctamente, son necesarios 4 equipos indispensables:

Compresor

Condensador

Vlvula de expansin

Evaporador

Figura 6. Componentes Ciclo refrigeracin.

5.1.1. Anlisis termodinmico del ciclo Planck El ciclo Planck ideal de refrigeracin consta de cuatro procesos, donde se tiene:

5.1.1.1. Compresin isotrpica: Consiste en la compresin a entropa constante (isotrpicamente) del refrigerante, esto se produce

mediante un compresor mecnico. Aqu la sustancia ingresa con ttulo 1, alcanzando finalmente

una presin de alta.

5.1.1.2. Rechazo de calor: Este proceso se caracteriza por el intercambio de calor que realiza el refrigerante hacia la

atmosfera. Por este proceso el refrigerante se condensa a presin constante (isobricamente),

hasta llegar que el refrigerante llegue a un ttulo igual a 0.

5.1.1.3. Expansin isoentlpica: En este proceso el refrigerante se expande a entalpia constante (isoentlpica), por medio de un

dispositivo de expansin, con el fin de bajar la presin de la sustancia.

5.1.1.4. Admisin de calor: Una vez terminada la expansin isoentlpica, el refrigerante comienza a absorber energa trmica

por medio de un intercambiador de calor (evaporador).

30

5.2. Equipos.

5.2.1. Compresor Este equipo cumple las funciones de: reducir la presin en el evaporador, hasta que el refrigerante

llegue a una temperatura fijada. Adems de mantener la presin retirando los vapores y elevando

la temperatura del medio condensado.

Entre los tipos de compresores se encuentran:

Compresor alternativo: este tipo de compresor puede encontrarse de simple o de doble

efecto, esto depende de la compresin del fluido si se realiza a un lado del pistn o en

ambos extremos. El ms utilizado es el de simple efecto.

Compresor de tornillo: son conocidos adems como compresores helicoidales, esta

compresin es continua. El cual funciona por medio de dos rotores en conjunto de un

sistema de rodamientos, los cuales producen la compresin dentro de una cmara.

Compresor abierto: es el tipo de compresor ms antiguo, el que se caracteriza por sus

grandes dimensiones y su bajo nmero de revoluciones debido al gran tamao de los

cilindros. Este equipo tiene la desventaja de su cierre hermtico el que provoca fugas de

refrigerante y de aceite.

Compresores hermticos: su caracterstica radica en las dimensiones reducidas y el

poco ruido de estos equipos. Estos equipos pueden funcionar a altas revoluciones.

Compresores semihermticos: la ventaja de estos equipos consiste en la capacidad que

se puede desmontar las piezas para luego ser reparados. El equipo es ms robusto en

comparacin a los hermticos.

5.2.2. Evaporador Un evaporador es un intercambiador de calor, con el fin de conseguir una temperatura dentro de un

recinto.

La principal funcin de este equipo es asegurar el intercambio de calor entre el medio y el fluido

refrigerante. Donde en el proceso el fluido para evaporarse requiere de la absorcin de calor.

Dentro de la clasificacin de los evaporadores se tienen:

Evaporadores inundados: para este tipo de evaporadores el fluido refrigerante entra en

estado lquido y sale como una mezcla de gas y lquido, pero el porcentaje predominante

es el lquido.

Estos equipos poseen un gran rendimiento, debido a que la salida del refrigerante tiene un

porcentaje mayor de lquido. Esto supone que la diferencia entre las temperaturas del

ambiente y del fluido es prcticamente constante.

Evaporadores semi inundados: estn formados por dos colectores de distintos

dimetros, los cuales estn conectados por un sistema de tubos en paralelo, por donde

circula el lquido refrigerante. Estos tipos de evaporadores generalmente son de tubos con

aletas.

Evaporadores secos: en este tipo el fluido refrigerante se encuentra en la salida del

evaporador en estado gaseoso. La alimentacin de estos evaporadores se produce

generalmente por medio de vlvulas de expansin termostticas

31

5.2.3. Condensador Este elemento es un intercambiador de calor, este causa la condensacin de los gases

provenientes de la salida del compresor. El condensador debe ser capaz de extraer y disipar el

calor absorbido en el evaporador y en los procesos de compresin.

Los condensadores se pueden clasificar dependiendo el medio por el cual disipa el calor, donde se

encuentran:

Condensadores refrigerados por aire: este tipo de condensadores normalmente trabaja

en condiciones de conveccin forzada. Segn su forma, los condensadores se pueden

clasificar en tubos lisos, tubos con aletas o de placas.

El ms utilizado es el de tubo con aletas. Donde la separacin de estos elementos facilita

el paso del aire y la posibilidad de acumular suciedad en el condensador

Condensadores refrigerados por agua: en este grupo se pueden encontrar

condensadores que utilizan el calor sensible del agua, el calor latente o una combinacin

de ambas.

Entre los que utilizan el calor sensible se pueden encontrar de distintas cantidad de tubos,

direccin de flujo refrigerante, verticales u horizontales.

Los condensadores que utilizan el calor latente del agua tambin son llamados

condensadores evaporativos, dentro de este tipo se pueden encontrar condensadores con

aletas, pulverizadores.

En cambio los condensadores que utilizan el calor sensible y el calor latente se

caracterizan por constituirse de serpentines de agua para el enfriamiento.

5.2.4. Vlvulas de expansin. Entre las funciones de esta vlvula se encuentran:

i. Regular la cantidad de fluido refrigerante que entren al evaporador.

ii. Controlar las presiones en los extremos de la vlvula.

iii. Causar la expansin del fluido.

Dentro de las tipos de vlvula, las ms utilizadas son:

Vlvulas manuales: son vlvulas utilizadas en condiciones de carga trmica constante.

Son utilizadas en montajes by-pass con otra vlvula de expansin para complementar la

regulacin o en momentos crticos como la avera de otra vlvula.

Tubos capilares: se utilizan en donde la carga trmica vara poco. Esta consta de un tubo

de tamao pequeo, que une el flujo del condensador al evaporador. Este elemento causa

la cada de presin y de temperatura. Probando la expansin del refrigerante.

Vlvulas de expansin termostticas: este elemento de expansin tiene la capacidad de

generar la cada de presin entre el condensador y el evaporador. Este elemento funciona

por el accionamiento de un bulbo sensor de temperatura encargado del cierre y abertura

del caudal de refrigerante.

Vlvulas de expansin de flotador: estas vlvulas constan de un flotador que se encarga

de controlar el lquido refrigerante. Estas vlvulas se pueden clasificar como de alta o baja

presin.

32

5.3. Refrigerante.

5.3.1. Definicin de Refrigerante.

De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o sustancia que acte como agente de

enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Desde el punto de vista de la

refrigeracin mecnica por evaporacin de un lquido y la compresin de vapor, se puede definir al

refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullicin, a baja

temperatura y presin, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presin. Los

refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeracin mecnica. Cualquier

sustancia que cambie de lquido a vapor y viceversa, puede funcionar como refrigerante, y

dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que haga estos cambios, va a tener una

aplicacin til comercialmente.

Existe un nmero muy grande de fluidos refrigerantes fcilmente licuables; sin embargo, slo unos

cuantos son utilizados en la actualidad. Algunos se utilizaron mucho en el pasado, pero se

eliminaron al incursionar otros con ciertas ventajas y caractersticas que los hacen ms apropiados.

Recientemente, se decidi descontinuar algunos de esos refrigerantes antes del ao 2000, tales

como el R-11, R-12, R-113, R-115, etc., debido al deterioro que causan a la capa de ozono en la

estratsfera. En su lugar, se van a utilizar otros refrigerantes como el R-123, el R-134a y algunas

mezclas ternarias.

5.3.2. Identificacin de Refrigerantes

Los refrigerantes se identifican por nmeros despus de la letra R, que significa "refrigerante". El

sistema de identificacin ha sido estandarizado por la ASHRAE (American

Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Es necesario estar familiarizado

con los nmeros, as como con los nombres de los refrigerantes.

5.3.3. Requerimientos de los Refrigerantes

Para que un lquido pueda ser utilizado como refrigerante, debe reunir ciertas propiedades, tanto

termodinmicas como fsicas. El refrigerante ideal, sera aqul que fuera capaz de descargar en el

condensador todo el calor que absorba del evaporador, la lnea de succin y el compresor.

Desafortunadamente, todos los refrigerantes regresan al evaporador arrastrando una cierta porcin

de calor, reduciendo la capacidad del refrigerante para absorber calor en el lado de baja.

33

5.3.4. Propiedades Termodinmicas.

Son aquellas que tienen relacin con el movimiento del calor. Estas propiedades se publican para

cada refrigerante en forma de tablas. Estas tablas se dividen en dos secciones: Propiedades de

Saturacin de Lquido y Vapor, y Propiedades del Vapor Sobrecalentado. Las primeras se dan

comnmente a intervalos de temperatura, y las segundas, se dan tanto a intervalos de presin,

como de temperatura. Estas tablas son elaboradas por los fabricantes de refrigerantes y algunas

asociaciones relacionadas con refrigeracin, y se pueden encontrar en libros de texto, manuales o

boletines tcnicos. Las de mayor aplicacin para resolver problemas de clculos y diseo de

equipos, son las tablas de propiedades termodinmicas de saturacin. Las Propiedades

termodinmicas son las siguientes:

Presin: Las presiones que actan en un sistema de refrigeracin, son extremadamente importantes. En primer trmino, se debe operar con presiones positivas; es decir, las presiones tanto en el condensador como en el evaporador, deben ser superiores a la presin atmosfrica. Si la presin en el evaporador es negativa, es decir, que se est trabajando en vaco, hay riesgo de que por una fuga entre aire al sistema. Por esto, el refrigerante debe tener una presin de evaporacin lo ms baja posible, pero ligeramente superior a la presin atmosfrica.

Temperatura: Hay tres temperaturas que son importantes para un refrigerante y que deben ser consideradas al hacer la seleccin. Estas son: la de ebullicin, la crtica y la de congelacin. El punto de ebullicin de un refrigerante debe ser bajo, para que aun operando a presiones positivas, se pueda tener una temperatura baja en el evaporador. Debe tener una temperatura crtica por arriba de la temperatura de condensacin Por otra parte, la temperatura de congelacin de un refrigerante, debe ser ms baja que la temperatura del evaporador. No se puede utilizar un refrigerante que se congele a la temperatura de trabajo del evaporador.

Volumen: En un sistema de refrigeracin, al agregar calor al refrigerante, aumenta su temperatura y su volumen especfico, pero su presin permanece constante; ya que, en el evaporador, en la lnea de succin y en el condensador, la temperatura de saturacin es lo que controla la presin del vapor sobrecalentado. Inversamente, si disminuye la temperatura del refrigerante, disminuye su volumen especfico. Por lo tanto, el refrigerante debe tener un valor bajo de volumen especfico en fase vapor, y un valor alto de volumen en fase lquida.

Entalpia: Es la propiedad que representa la cantidad total de energa trmica o contenido de calor, en un fluido. Sus unidades son kcal/kg. Para la mayora de los refrigerantes, se considera que su entalpia es cero a una temperatura de saturacin de -40C. Entonces, el calor agregado o sustrado de un refrigerante, desde ese punto, se considera que es su entalpia total. Por lo tanto debe tener un valor alto de calor latente de vaporizacin.

Densidad: La densidad de un fluido, puede definirse como su peso por unidad de volumen. Las unidades en que se expresa esta propiedad, son comnmente kg/m o puede utilizarse tambin kg/l. Los valores de la densidad tienen algunas aplicaciones tiles para clculos de ingeniera, mayormente la densidad en fase lquida. La densidad en fase vapor es til en problemas que involucran al evaporador, la lnea de succin y el condensador. La densidad en fase lquida se utiliza, entre otras cosas, para calcular la capacidad de cilindros o tanques recibidores.

Entropa: La entropa, es pues, una relacin que describe la energa relativa en el refrigerante, y se determina dividiendo la cantidad de calor en el lquido o en el vapor, por su temperatura absoluta. Al igual que las otras propiedades termodinmicas de los

34

refrigerantes, tambin se tienen en la tabla valores para el lquido y para el vapor a intervalos de temperaturas. Similar a la entalpia, el valor de entropa de un refrigerante lquido a -40C, es 0, y los valores que realmente importan, son los cambios de entropa desde una temperatura de saturacin a otra.

5.3.5. Propiedades Fsicas y Qumicas.

No debe ser txico ni venenoso. No debe ser explosivo ni inflamable.

No debe tener efecto sobre otros materiales.

Fcil de detectar cuando se fuga.

Debe ser miscible con el aceite.

No debe reaccionar con la humedad.

Debe ser un compuesto estable.

5.4. Seleccin Del Refrigerante

5.4.1. Refrigerante R-134a.

El R-134a es un refrigerante HFC de cero potencial de destruccin del ozono y con propiedades

muy similares al R-12. Es utilizado como un refrigerante puro en las aplicaciones que

tradicionalmente usaban R-12 y como componente en mezclas de refrigerantes diseadas para

sustituir R-502 y R-22. Los fabricantes de compresores y sistemas ya tienen disponibles equipos

que han sido diseados especficamente para el R-134a. Pruebas de laboratorio y en el campo

tambin han confirmado que el R-134a funciona bien como un sustituto para reconversiones en

sistemas que usan R-12 y R-500.

5.4.2. Comparacin con otro refrigerante utilizado.

En Estocolmo, Suecia, la agencia de la proteccin del ambiente anunci no utilizar el refrigerante

HCFC22 (refrigerante R-22) en equipos nuevos a partir del ao 2010 en pases desarrollados. Por

otra parte, se han desarrollado varios refrigerantes alternativos para sustituirlo, y el que ms se

aproxima desde el punto de vista energtico al R-22 es el R-134a (hidrofluorocarbono). Adems,

con el refrigerante R-134a el ciclo de refrigeracin tiene la misma eficiencia que con el refrigerante

R-22. Adems, el R-134a, al no ser txico ni inflamable, cumple con las normas de seguridad ms

severas, como las que establece la ASHRAE y los Underwriters Laboratories (UL) en Estados

Unidos.

Las principales ventajas con respecto a otros refrigerantes son:

El R- 134a es el mejor fluido que no afecta la capa de ozono para reemplazar el R-12 y R-22.

35

El R-134a tiene una temperatura crtica elevada, lo que permite que los sistemas enfriados por aire conserven altos niveles de rendimiento a altas temperaturas de condensacin.

El R-134a se usa ampliamente en numerosas aplicaciones asegurando as su disponibilidad comercial en todo el mundo.

No es txico.

No es inflamable.

No es corrosivo.

Compatible con los materiales de construccin de los equipos.

5.5. Humidificacin

La humidificacin consiste en la adicin de agua al aire. Este elemento (humedad) es importante

de considerar en el estudio del diseo de la cmara de conservacin ya que para productos

alimenticios como las carnes, pescados, frutas y verduras. Es necesario tener una humedad

relativa entre rangos de 95% y 98%. Por esto son necesarios equipos capaces de mantener esta

humedad, debido a que el proceso de refrigeracin puede provocar problemas de deshidratacin.

Entre los equipos controladores de la humedad se pueden encontrar:

Humidostatos son elementos de control directo de la humedad. Controlan la puesta en

marcha o paro automtico de un humidificador cuando el nivel de humedad en aire baja o

sube de los niveles preestablecidos, disparando el encendido o apagado automtico del

humidificador.

Higrmetros son instrumentos de medida que indican los grados de humedad del aire o

algn gas determinado mediante unos sensores que determinan la variacin existente y la

unidad de medida habitual que utilizan es el %. Existen higrmetros de condensacin,

higrmetros de resistencia elctrica o higrmetros qumicos.

higrostatos electrnicos son elementos de medicin que controlan la humedad relativa

en el interior de un habitculo, y actan activando una resistencia segn la medicin previa

que se haya ajustado, evitando la formacin de indeseables condensaciones y la posible

corrosin de algunos componentes. Los Led que lo integran se encienden cuando la

resistencia se pone en marcha.

5.6. Poliuretano.

El poliuretano es un agente qumico, ampliamente utilizado en diversos procesos, es muy usado en

fabricacin de pinturas sintticas, destacndose, la de los automviles. Las cuales logran una alta

adherencias al metal y grandes resistencias a la inclemencia del tiempo. Ya sea en verano o en

invierno. Asimismo, el poliuretano, en la actualidad, tambin es utilizado en la fabricacin de

espumas. Incluso en la fabricacin de paneles aislantes, para cmaras frigorficas. Logrando un

muy buen aislamiento del fri. Proceso que requiere de la inyeccin agentes inchantes, en el

poliuretano. Lo que provoca que el material, se infle literalmente. Pero la gracia en su utilizacin

como aislante, es que a diferencia de las esponjas normales, las cuales presentan poros abiertos,

el poliuretano logra un acabo sin poros. Sin aquella cualidad, sera intil su utilizacin en el campo

de la refrigeracin industrial.

36

5.6.1. Caractersticas del poliuretano.

Es una espuma rgida compuesta por cerdillas cerradas de forma hexagonal en cuyo interior

retienen el gas 141-B que una sustancia ecolgica. Es una sustancia orgnica por sntesis qumica.

El poliuretano es un resultado de la mezcla del isocionato y poliol, este ltimo encargado de

proveer el agente expansor y espumante. Esta composicin brinda una alta eficacia como aislante

trmico, acstico e impermeable. El poliuretano es un material por dems noble que en muchos

pases del mundo es de uso tradicional. En nuestro pas es ms conocida la utilizacin en la

industria frigorfica.

5.7. Cable Calefactor AKO-5231.

Los suelos de las cmaras frigorficas se construyen con una capa de aislamiento trmico para

reducir parte del calor que por conduccin atraviesa el suelo hacia el interior de la cmara,

enfriando el subsuelo. A pesar del aislamiento trmico del suelo, debe compensarse la cantidad de

calor que lo atraviesa, para evitar que se hiele el subsuelo.Si este se helara, expandira hacia

arriba con fuerza suficiente para levantar y agrietar el suelo de la cmara frigorfica, pudiendo

incluso, debilitar los cimientos del propio edificio. Este efecto es conocido como "frost heave".

El Instituto Internacional del Fro, recomienda varios sistemas de proteccin contra el "frost heave",

uno de ellos, es utilizar elementos calefactores elctricos colocados debajo del aislamiento trmico,

extendidos en el suelo en forma de parrilla.

5.7.1. Caractersticas. Es de tipo paralelo y la potencia la entrega por metro lineal constante. El elemento calefactor es un

hilo de nquel cromo que esta enrollado en espiral alrededor de los dos conductores aislados del

cable, con los que hace contacto alternativamente en puntos determinados. El cable va formando

internamente, un sistema de muchas resistencias en paralelo alimentadas por dos conductores.

Se recomienda instalar 2 metros de cable por cada metro m2 por superficie de suelo.

Tabla 8. Especificaciones tcnicas Ako-5231.

37

Captulo 6 Costos

38

6.1. Matriz de costos.

Material Cantidad Precio Unitario Subtotal

Calefactor de suelo 40 5905 236200

Chapa de Acero 35 19990 699650

Compresor 1 417000 417000

Condensador 1 212895 212895

Evaporador 1 385900 385900

Humidificador 1 96000 96000

Ladrillos 4761 250 1190250

Lamparas 12 12341 148092

Poliuretano 10 2609 26090

Presostato 2 123224 246448

Puerta 1 130000 130000

Vlvula Expansin 1 29890 29890

Vlvula Retencin 1 9250 9250

Total 3827665

Tabla 9. Costos.

39

Captulo 7 Referencias

40

7.1. Referencias Bibliogrficas.

Rafael Lopez Vasquez, Ana Casp Vanaclocha, Tecnologia de Mataderos, Mundi Prensa

2004.

Catainfri S.L, Gua Bsica del Frigorista, Cap. 15 Varios Clculos y Diseo 2010.

Dr. Ing. Gonzalo E. Salinas Salas, Apuntes de Transferencia de Calor 2012.

7.2. Pginas web.

Construccin de cmaras frigorficas

http://www.quiminet.com/articulos/construccion-de-camaras-frigorificas-2681775.htm

Almacenamiento de alimentos

http://www.fao.org/docrep/004/t0566s/t0566s12.htm

Manual de Diseo para la construccin con acero, Capitulo 1

http://www.ahmsa.com/Acero/Complem/Manual_Construccion_2013/Capitulo_1.pdf

Transpaletas.

http://www.ocasionespulido.com/articulo/5856/Transpaleta-Manual-De-Pesaje-Sin-

Impresora-Scale-7007-Ed.htm

Ako 5231

http://www.ako.com/w4fs/mobject/nombre/355231000__1.pdf

Catalogo.

http://www.intercal.cl/Show_Page.asp?page_id=548

41

Anexos

42

Memoria de clculo.

Apndice A: Clculo sistema rieles para cerdo.

Clculo del esfuerzo de fluencia.

Clculo del momento.

Clculo del mdulo de resistencia.

Ahora mediante la tabla de vigas estructurales se tiene una viga I 240.

Apndice B: Clculo de Cargas Trmicas

Clculo del espesor del aislante

Se tiene entonces la frmula general de la ganancia o prdida de calor:

Se sabe tambin que lo mximo que se puede perder de calor a travs de las paredes por unidad

de superficie en una cmara de refrigeracin es Q/A= 8 W/ . Y donde el coeficiente global de transferencia de calor es:

43

Reemplazando est ecuacin en la frmula anterior y despejando el espesor del aislante tenemos

que:

[

(

)]

Y la pared constar desde el interior haca el exterior de una chapa de acero, Espuma de

Poliuretano (aislante), ladrillo-concreto, y chapa de acero respectivamente.

Datos:

Material Conductividad Trmica

(W/mC)

Espesor (m)

Acero Inoxidable 19 0,005

Ladrillo 2,32 0,14

Concreto 1,37 0,14

Espuma de Poliuretano 0,023

Tabla 10. Caractersticas materiales pared.

Por lo tanto la ecuacin queda de la siguiente manera:

[

(

)]

Con:

=24 C = 0 C = = 9,3 W/

(Segn Norma ASHRAE) = 0,85 = 0,15 Q/A= 8 W/ Espesores y conductividades trmicas en tabla anterior. Resolviendo, el espesor de aislante adecuado para el poliuretano ser de:

= 0,0467 m = 46,74 mm

Por lo tanto se ocupar una plancha de Poliuretano de 50 mm.

44

Clculo Calor Que Atraviesa la Pared

Para el clculo del calor que entra a la cmara o fro que se pierde de la cmara, se ocupar la

ecuacin siguiente:

Donde reemplazando el espesor del aislante calculado, el flujo de calor por superficie unitaria da

un valor de:

Cabe destacar que esta ganancia de calor es utilizable para las paredes y para el techo. Para el

piso se utilizar un sistema de un cable calefactor paralelo para proteccin de suelos en cmaras

frigorficas, el cual dar una ganancia de calor de .

reas de la cmara:

Pared Lateral: 13,608 = 27,216 para las 2 paredes. Pared Frontal: (A.Pared A.Puerta)=11,016 2 = 9,016 Pared Trasera: 11,016 Techo: 20,5632 Piso: 20,5632

Por lo tanto el flujo de calor total que atraviesa la pared viene dado por:

45

Clculo de carga trmica del producto

El calor sensible a extraer, para enfriar el producto, desde su temperatura inicial hasta la de

refrigeracin y la cual viene dada por:

Por lo tanto se calcular el calor sensible para la carne de cerdo y para la carne de pollo. Los datos

de los calores especficos de las carnes fueron extrados de las tablas 1 y 2.

Datos:

= 3,31 KJ/Kg C

= 2,3 KJ/Kg C = Ti Tf Ti = 7C Tf = 0C = 1035Kg = 500 Kg 3 Hrs= 10800 seg. 2 Hrs= 7200 seg.

El Calor sensible del cerdo ser:

El Calor sensible del Pollo ser:

Por lo tanto la ganancia de calor total de los productos ser de:

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Clculo de carga trmica por infiltracin o renovacin de aire

El calor por renovacin del aire se calcular aplicando la frmula:

Datos:

= 55,5 (Volumen cmara de refrigeracin) = 4,81 W/ ( Tabulado a partir de la tabla de calores) = 10/Da (Tabulado a partir de la tabla de renovaciones)

Se calcula y el valor que resulta es de: 2670 W

Tabla 12.Renovaciones de aire para cmaras de conservacin y congelacin

Tabla 11.Calor de aire.

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Clculo de carga trmica por fuentes internas

Clculo de la carga por personas

El calor total de las personas ser:

Datos:

= 2 Personas

= 270 W/Hr (Tabulado por tabl de potencias liberados por personas) = 5 Hrs

Por lo tanto el calor liberado por las personas es:

Clculo del calor generado por el alumbrado

Si se conoce la potencia del alumbrado instalado el valor del calor generado ser:

Dnde:

= 12 Lmparas LED = 50 W = 80 % = 0,8

Tabla 13.Potencia Liberada en W por las personas segn las temperaturas de la cmara en C

48

Por lo tanto para la distribucin de 12 lmparas led, con Lum de 4000 cada una, aceptable para un

recinto como la cmara de refrigeracin, tenemos que la carga trmica es:

Clculo de calor generado por los ventiladores de los evaporadores

Como la potencia de los ventiladores se desconoce a priori se considerar para este concepto un

10 % de la suma de las potencias ya calculadas en los apartados anteriores, por lo que queda de

la siguiente manera:

Reemplazando los clculos ya efectuados, tenemos que la carga por ventiladores de los evapores

es:

Tabla 14.Lmparas LEDs Con sus respectivas potencias y eficacias.

49

Obtencin de la carga trmica total

Para obtener la carga trmica total se debe sumar todas las cargas obtenidas anteriormente y

aplicarle un factor de seguridad de un 10 % con lo que quedara de la siguiente manera:

Anexo C: Ciclo de Refrigeracin en la Cmara

Se tiene los datos de la temperatura del medio, que es 24C y con la cual ms la variacin de la

temperatura media que vara entre 10 a 15C se tiene una temperatura de condensacin de

condensacin de 36C.

La temperatura de evaporacin se obtiene mediante la diferencia de temperaturas entre la

temperatura interior de la cmara de refrigeracin y una temperatura promedio dependiente de la

humedad relativa del aire dentro de la misma cmara. A continuacin a travs del software

Termograf se obtienen los datos requeridos en los diferentes procesos del ciclo para poder

encontrar y seleccionar componentes.

Grafico 3.Ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor

50

Clculo Flujo Msico del refrigerante

Con: = 242,42 KJ/Kg; = 76,2257 KJ/Kg y Q ya calculado anteriormente como carga trmica

total del sistema, tenemos:

Clculo de la potencia del compresor

Con: h2=264,131 KJ/Kg; por lo tanto la potencia del compresor ser de:

Clculo calor rechazado al medio

Con: h3=78,6171 KJ/Kg; por lo tanto la potencia del compresor ser de:

51

Apndice D: Tablas.

Tabla: Propiedades del R-134a saturado. Tabla de presin Tabla 15. Propiedades del R-134a Saturado, Tabla de presin.

52

Tabla 16.Propiedades del R-134a saturado, Tabla de temperatura

53

Tabla 17.Propiedades de aire seco a presin atmosfrica.

54

Tabla 18. Entalpa del aire a baja presin.

55

Apndice E: Catlogos.

Poliuretano.

56

Compresor.

57

Evaporador.

58

59

Condensador

60

Vlvula de expansin.

61

Presostato

62

Vlvula Selenoide.

63

Vlvula retencin.