Diseño de Una Camara de Refrigeracion

7/24/2019 Diseño de Una Camara de Refrigeracion

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ANEXO 4

CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE UNA CÁMARA DE REFRIGERACIÓN

DE MATERIA PRIMA PARA LA PLANTA PILOTO AGROINDUSTRIALUNS”

I) DATOS GENERALES DE DISEÑO:

Las características de diseñote de la cámara de refrigeraciónestán en función de la capacidad de producción de la planta que va

atender, así como al tipo de productos que en ella se elaboran. Las

características de diseño son:

- Materias primas a refrigerar: Papaya, maracayá, mango, piña y

fresa.

- Carga de refrigeración: De acuerdo a la producción, a la capacidad

instalada de procesamiento, y al requerimiento de materia prima de la

planta piloto.

PAPAYA = 2000 Kg. / día

MARACUYÁ = 1000 kg. / día

MANGO = 1000 Kg. / día

PIÑA = 500 Kg. / día

Fresa = 500 Kg / día

El denominador “día” significa que la cámara será diseñada para

refrigerar, en un momento determinado, como máximo un total 5000 Kg

diarios de materia prima, lo que significa que en otros días puede

almacenar menos de 5000 kg que es el limite máximo.



Temperatura de entrada de la materia prima a la cámara: se

considera una temperatura de 22°C que es una temperatura media

durante todo el año.

Temperatura del aire exterior: Se considerara una T ext de 32°C,

por motivo de seguridad ya que esta es la temperatura máxima que se

registra en chimbote durante los meses de verano.

Humedad relativa del aire exterior: Se considera un 75% de HR

porque el humedad media que se registra en la ciudad de chimbote.

Temperatura del aire dentro de la cámara:

Por seguridad y de acuerdo a las temperatura optimas de

refrigeración de las diferentes frutas que se observan en la Tabla A4-1 se

elige una temperatura de °4C con una humedad relativa del 90% que es

la mas idónea para la conservación de las materias primas.

Número de personas que entran en la cámara: Se considerara a

una persona que entra cada día durante 2 horas (incluye el tiempo de

limpieza)

Dimensiones de la cámara: La cámara a diseñar tendrá las

siguientes dimensiones:

Altura: 3 m

Largo:4.5 m

Ancho: 3.9 m

Estas dimensiones se tomaron teniendo en cuenta, el espacio

físico disponible de la planta y de la cantidad de materia prima a

almacenar.

Número de luminarias: De acuerdo a las dimensiones de la cámara

se consideraran 4 fluorescentes de 40W cada uno.



Tipo de aislamientos en paredes y techos: Se han considerado los

siguientes de acuerdo a su alto poder aislante ( excepto al acero

galvanizado que servirá de protección de los aislantes) y a su

disponibilidad en el mercado nacional.

Ladrillo y concreto que forman parte de las mismas obras

civiles de la planta piloto.

Madera, poliestireno, y acero galvanizado que son los

materiales que se van ha adquirir.

El piso también estará aislado con poliestireno de 10 cm de espesor

II) CARGAS TÉRMICAS EN LA CÁMARA DE REFRIGERACIÓN

De acuerdo a los datos de diseño, para optimizar las dimensiones

y características técnicas de un evaporador y de una instalaciónfrigorífica en general es necesario considerar, los siguientes factores.

a) Calor de otras fuentes:

Flujo de calor a través de los cerramientos.

Entrada de aire exterior en la cámara.

Calor liberado por la iluminación interior.

Calor liberado por las personas. Calor de los ventiladores del evaporador, si lo hay, para la

circulación forzada de aire.

b) Calor de los productos a refrigerar:

Refrigeración de las frutas.

Calor de

respiración de las frutas. Calor de mercancía y su embalaje.



A) CALOR DE OTRAS FUENTES

1.- TRANSMISIÓN DE CALOR A TRAVÉS DE PAREDES Y TECHOS:

La tasa total de calor que entra en la cámara por transmisión a

través de paredes y techos, viene dado por la siguiente expresión:

t.. S K Qc ............ (1)

Donde:

Qc = Tasa de calor en W ó (Kcal/h) según los datos.S = Superficie de cada cerramiento en m2.

K = Coeficiente global de transferencia de calor en paredes y

techos en Kcal/(h m2 °C)

∆ t = Diferencia de temperatura exterior e interior de la cámara.

Cada cerramiento se calculara separadamente para obtener

resultados suficientemente exacto.

El coeficiente global de transferencia de calor (K ), se calcula

mediante la siguiente expresión:

'

1.....

1

1

1

2

1

1

h

ee

h

K

............ (2)

Donde:

h y h’ : Son los coeficientes de convección interior y exterior

en Kcal/(h m2 °C)

e1, e2, e3..... = Espesores de los diferentes elementos que

constituyen las paredes y techos en m.

λ1, λ2, λ3..... = Conductividades térmicas de estos elementos en

Kcal/(h m °C).



Los valores de h y h’ se calcularan mediante la siguiente

expresión:

h = 5.3 + 3.6 C ............ (3)

Donde:

C = Es la velocidad del aire en m/s

Los valores de λ se obtendrán de la Tabla A4-2.

2.- AIRE EXTERIOR ENTRANTE AL CÁMARA:

Siempre es necesario proceder en mayor o menor medida a una

aireación de la cámara fría. En ocasiones esta ventilación se produce por

la frecuencia de apertura de las puertas para la entrada y salida del

genero, pero si esto no fuera suficiente debería procederse a la

utilización de sistemas de ventilación forzadas complementarios.

El numero de renovaciones puede establecerse por hora o por día.

En este ultimo caso la expresión a utilizar seria.

nhV Qr )..( ............ (4)

Donde:

Qr = Potencia calorífica aportada por el aire en KJ/d

V = Volumen de la cámara en m3.

∆ h = hext – hint = Calor del aire en (kJ/m3)

n = Número de renovaciones de aire por día.

En la Tabla A4-3 se pueden observarse los valores normalmente

empleados para la evaluación de (n/d) para cámaras negativas y

cámaras por encima de 0°C en función del volumen de las mismas.

En el Grafico A3-1(diagrama psicrometrico) del anexo se puede

obtener los valores de hext y hint.



3.- CALOR LIBERADO POR LA ILUMINACIÓN INTERIOR:

Las lámparas existentes en el interior de la cámara liberan un calor

equivalente a:

24

.t P Q L ............ (5)

Donde:

P = potencia total de todas las lámparas en W t = tiempo de

funcionamiento en h/d de las mismas.

QL = Potencia ocasionada por la iluminación en W.A esta

expresión, para el caso de fluorescentes, se multiplica por 1.25,

para considerar el consumo complementario de las reactancias.

4.- CALOR LIBERADO POR LAS PERSONAS:

También las personas que entran a una cámara liberan calor a razón de:

24

.. t nqQ P ............ (6)

Donde:

q = Calor por persona en W según Tabla A4-4

n = Número de personas en la cámara

t = tiempo de permanencia en horas / día.

Por lo tanto, el concepto de calor total de otras fuentes se tendrá:

Qt = QC + Qr + QL + Q p ............ (7)



B) CALOR DEL PRODUCTO A REFRIGERAR

1.- REFRIGERACIÓN DE ALIMENTOS:

Su evaluación solo depende de la temperatura inicial y final, de su

calor especifico y de su peso.

).(. t cmQe R ............ (8)

Donde:

m = masa diaria de alimentos introducidos (Kg/día)

Cp = Calor especifico másico en Kcal/Kg °C

∆ t = Diferencia de temperatura entre la temperatura del genero y

la temp. Interior de la cámara en (K) ó (°C)

Debido al los embalaje a la formula anterior se le añade una 10%

es decir se le multiplica por 1.1

En la Tabla A4-5 se incluyen valores de calores específicos

másicos de distintos elementos.

2.- CALOR DE RESPIRACIÓN DE LOS PRODUCTOS A ALMACENAR:

Las frutas y verduras, liberan con su respiración continua un calor

que también debe tenerse en cuenta:

csmQS

. ............ (9)

Siendo:

m = Masa en Kg.

CS = Calor de respiración Kcal/ Kg d (Tabla A4-5)

Por lo tanto, en concepto de calor total de los productos,

tendremos:

QC = QR + QS ............ (10)



C) CALOR TORAL DE REFRIGERACIÓN:

Una vez obtenida todos los valores de los calores de cada uno de

los conceptos anteriormente expuestos se tendrá:

ct T QQQ ............ (11)

III) CÁLCULOS PAR EL DISEÑO DE LA CÁMARA DE REFRIGERACIÓN:

A) CALOR POR OTRAS FUENTES:

1.- TRANSMISIÓN DE CALOR A TRAVÉS DE PAREDES Y TECHOS:

Para calcular el calor a través de paredes y techos, primero

calculamos el coeficiente global de transferencia de calor en paredes y

techos para esto calculamos primero, el coeficiente de transferencia decalor por convección interior y exterior, utilizando la ecuación (3)

h (interior) = 5.3 + 3.6 (2m/s) = 12.5 Kcal / m2 h °C

h’ (exterior) = 5.3 + 3.6 (3m/s) = 16.1 Kcal / m2 h °C

Se considera C = 2m/s en el interior porque esa es generalmente

la velocidad del aire generado por los ventilador dentro de la cámaras

pequeñas de refrigeración.

Se considera C = 3m/s en el exterior de la cámara porque esta es

la velocidad promedio que alcanza el aire en nuestras costas.

Determinamos las conductividades térmicas de los materiales de

construcción de la cámara para las paredes y techo las cuales se

obtendrán de la Tabla A4-2



CUADRO A4-1 : MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN PARA LAS

PAREDES

MATERIAL ESPESORCONDUCTIVIDAD

TÉRMICA(Btu/h pie °F)

CONDUCTIVIDADTÉRMICA

(Kca/h m °C)Ladrillo para

construcción0.12 0.4 0.6

Concreto 0.03 0.20 0.3

Poliestireno

Expansionado 0.10 0.02 0.028

Cemento enlucido 0.02 0.17 0.25

Acero galvanizado 0.0032 26 38.74

CUADRO A4-2 : MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN PARA EL

TECHO

MATERIALESPESOR

(m)


(Btu/h pie °F)


(Kca/h m °C)Ladrillo para

construcción0.12 0.4 0.6

Concreto 0.05 0.20 0.3

Poliestireno

Expansionado0.10 0.02 0.028

Cemento

enlucido0.02 0.17 0.25



Con la ecuación 2 determinas el coeficiente global de transferencia

de calor para paredes y techos.

1.16

1

74.38

0032.0

25.0

02.0

028.0

10.0

3.0

03.0

6.0

12.0

5.12

1

1

PAREDES K

K PAREDES = 0.2442823 Kcal / (h. m2.°C)

1.16

1

25.0

02.0

028.0

10.0

3.0

05.0

6.0

15.0

5.12

1

1

TECHOS K

K TECHOS = 0.237 Kcal / (h. m2.°C)

Materiales del piso: El piso ya enlucido será cubierto por 10 cm de

poliestireno.

Calculamos el área de paredes y techos:

- Área total de la pared que no esta expuesta la sol:

A = 2 ( 4.50)(3) + (3.90) (3) = 38.7 m2

- Área total de la pared que esta expuesta la sol:

A = ( 3.90)(3) = 11.7 m2

- Área del techo:

A = ( 4.50)(3.90) = 17.55 m2

Calculamos la transmisión de calor a través de paredes y techos

empleando la ecuación 1

- Transmisión de calor por la paredes que no están expuestas al sol:

QPN SOL = (38.7 m2)(0.244 Kcal / m2h °C) (32°C- 4°C) (24h / día)

QPN SOL = 6345.5616 Kcal / día



- Transmisión de calor por la paredes que no están expuestas al

sol:

DE la tabla A4-6 Corregimos la diferencia de temperaturas para la

pared expuesta la sol:

ΔT = ΔT + 4 °F

ΔT = 30.22°C

QPS SOL = (11.7 m2)(0.244 Kcal / m2h °C)(30.22°C) (24h / día)

QPS SOL = 2070.5293 Kcal / día

- Transmisión de calor total por la paredes:

Q PAREDES = QPN SO + QPS SOL

Q PAREDES =8416.0909 Kcal / día

- Transmisión de calor por el techo:

QTECHO = (17.55m2) (0.237) (32°C-4°C)( 24h / día)

QTECHO = 2795.0832 Kcal / día

- Calor a través de paredes y techos:

QC = Q PAREDES + QTECHO

QC = 11211.174 Kcal / día



2.- AIRE EXTERIOR ENTRANTE AL CÁMARA:

Se determina mediante la ecuación (4), para esto primero

calculamos el volumen de la cámara:

V = altura x ancho x largo = (3m) (4.5m) (3.9m) = 52.65 m3

De la Tabla A4-3, para cámaras positivas y para un volumen de

52.65 m3, interpolando determinamos n: 12.74

Utilizando el diagrama psicrométrico (Grafico A3-1 ) obtenemos hext

y hint.

- Para el exterior de la cámara:

Para una temperatura Text= 32|C y una HR= 75% del diagrama

Psicrometrico obtenemos HETX= 27Kcal/Kg y Ve= 0.8932 m3 / Kg

Por lo que hEXT = (27Kcal/Kg) x (1/0.8932 m3 / Kg) = 30.227 Kcal/

m3

- Para el interior de la cámara:

Para una temperatura TINT= 4°C y una HR= 90% del diagrama

Psicrometrico obtenemos HINTT= 8 Kcal/Kg y Ve= 0.78 m3 / Kg

Por lo que hEXT = (8 Kcal/Kg) x (1/0.78 m3 / Kg) = 10.26 Kcal/ m3

- Calculamos el calor del aire exterior entrante ala cámara:

Qr = (52.65 m3)( 30.23 Kcal/ m3 - 10.26 Kcal/ m3) (12.74/ día)

Qr = 13395.10 Kcal / día



3.- CALOR LIBERADO POR LA ILUMINACIÓN INTERIOR:

De acuerdo al volumen de la cámara considerando 2 luminarias

con 2 fluorescentes de 40W cada uno. Utilizando la ecuación (5)

QL = ((4 x 40 W) (2 hr)/ 24h )x 1.25 = 16.67 W

QL = 345.8 Kcal / día

4.- CALOR LIBERADO POR LAS PERSONAS:

Considerando que una persona entra a la cámara durante dos

horas. de la Tabla A4-4 determinamos el calor liberado por personas:

264 W

QP = (264 W) ( 1persona)(2h)/ 24h = 22W

QP = 456.35 Kcal / día

Mediante la ecuación (7) determinamos el calor total por otras fuentes:

Qt = 11211.17 Kcal / día + 13395.10 Kcal / día + 345.8 Kcal / día +

456.35 Kcal / día

Qt = 25408.42 Kcal / día



B) CALOR DEL PRODUCTO A REFRIGERAR:

1.- REFRIGERACIÓN DE ALIMENTOS:

Los valores de los calores específicos se obtendrán de la Tabla

A4-5

Considerando una temperatura de ingreso del genero de 22°C y

sabiendo que temperatura interior de la cámara es de 4°C

QR= ((2000)(0.82)+(1000)(0.86)+(1000)(0.85)+(500)(0.88)+(500)(0.924))(22-4)

QR= 76536 Kcal / día

A este valor lo multiplicamos por 1.1 debido a los embalajes

QR= 84189.6 Kcal / día

2.- CALOR DE RESPIRACIÓN DE LOS PRODUCTOS A ALMACENAR:

DE la Tabla A4-5 se encuentran los calores de respiración de

varias frutas

QS = (2000)(0.488)+(1000)(2.44)+(1000)(0.976)+(500)(1.22)+(500)(1.31)

QS = 5657 Kcal / díaUtilizando la ecuación (10) calculamos el calor total de

refrigeración de los productos:

QC = 84189.6 Kcal / día + 5657 Kcal / día

QC = 89846.6 Kcal / día



C) CALOR TOTAL DE REFRIGERACIÓN:

Lo determinamos mediante la ecuación (11):

QT = 25408.42 Kcal / día + 89846.6 Kcal / día

QT = 115255.02 Kcal / día

Por seguridad le añadimos a este valor un 10%

QT = 115255.02 Kcal / día x 1.1

QT = 126780.52 Kcal / día

D) CÁLCULO DE LA POTENCIA NOMINAL FRIGORÍFICA:

Calculamos la potencia frigorífica, basado en un tiempo

recomendado de operación del compresor para unidades que produzcan

temperaturas sobre cero es de 16 h/día.

Potencia Frigorífica = (126780.52 Kcal / día) / (16 h /día)

Potencia Frigorífica = 7923.7826 Kcal / h = = 31423.507 Btu/h



E) SELECCIÓN DEL EQUIPO DE REFRIGERACIÓN:

1.-SELECCIÓN DEL EVAPORADOR:

En primer lugar se selecciona un valor de TD (definida como la

diferencia de la temperatura de diseño entre el aire en la cámara y el

refrigerante que se evapora) de 10°F correspondiente para frutas, en la

Tabla A4-7

De la Tabla A4-8 se selecciona una unidad serpentín ventilador

que satisfaga las necesidades de una carga de enfriamiento de:

Potencia Frigorífica = 7923.7826 Kcal / h = 31423.507 Btu/h

Se encuentra que una solución alternativa es el modelo UC320:l

de las siguientes características:

- Modelo: UC320

- DT: 10 °F

- Capacidad de remoción de calor 32 000 Btu / hr

- Circuitos: Tres

- Diámetro de los Tubos: ¾ pulg.

- Potencia del ventilador : 2 ¼ HP

- Calor generado por el motor del ventilador: 75 000 Btu / 24h

- Ventilador: 2 unidades de 22 pulg. de diámetro.

- RPM del ventilador: 1140

- Velocidad del aire: 6 pie3 / min.

2.- SELECCIÓN DEL COMPRESOR:

Se selecciona un compresor para las siguientes características:

Para una carga de refrigeración de (31423.507 Btu/h)/12000 = 2.62 tons

Para un DT = 10°F = 5.5°C

Temperatura de evaporación:4 °C – 5.5°C = -1.5 °C = 29.3 °FTemperatura de condensación 100 °F = 37.78 °C



Con estas características seleccionamos el compresor de la Tabla

A4-9 el cual es el modelo EO27, con las siguientes características:

- Modelo: EO27

- Capacidad en tons: 3.04

- Eje BHP: 10.00

- Tmax del tubo de succión: 65

- RPM: 1740

- Temperatura Evaporación: 30 °F

- Temperatura de condensación: 100°F

3.- SELECCIÓN DEL CONDENSADOR:

Del compresor seleccionado se sabe que el rechazo total de calor

en el condensador THR (cantidad total de la carga + calor generado por

el mismo compresor) es:

THR = 4.6 Tons x 12000 = 55200 Btu / h

De la Tabla A4-10 se selecciona un condensador de las siguientes

características:

- Por seguridad se selecciona un condensador con una

capacidad total de: 75000 BTU /H (es la inmediata superior a

55200 Btu /h dentro de las tablas de la cual se selecciono)- Capacidad por Circuito: 22 500 BTU / H

- Refrigerante a emplear: R-12

- N° de circuitos disponibles: 2

- Rechazo de calor total para una diferencia de temperatura de: 30

°F



4.- SELECCIÓN DE LA VÁLVULA DE EXPANSIÓN:

Se selecciona de la Tabla A4-11 una válvula de expansión de las

siguientes características:

Para una evaporación de expansión directa y circulación de aire

forzado y para instalaciones industriales de frutas como es nuestro caso,

el sistema de control debe de ser el siguiente:

Válvula de expansión termostática con control de presión y

termostato de ambiente para control del motor del ventilador

Con estas características ya establecidas se procede a

seleccionar una válvula de expansión termostatica para los siguientes

requerimientos:

Capacidad: 31423.507 Btu/h ≈ 32000 Btu/h = 2.6 Tons

Temperatura de evaporación = 29.3 °f

Presión de evaporación (PEVP) = 43.148 lb / pulg.2

Temperatura de condensación = 100 °F

Presión de condensación ( PCOND) = 131.6 lb / pulg.2

PEVP - PCOND = 88.45 lb / pulg.2

Para estos requerimientos elegimos de la Tabla A4-12 una válvula

que se ajuste mas a nuestros requerimientos lo que corresponde al

modelo de válvula TK300F que tiene las siguientes característica.

- Modelo: TK300F- T° evp = 20°F

- Diferencia de Presión a través de la válvula: 80 lb / pulg.2

- Capacidad de refrigeración: 2.8 Tons.



TABLA A4-2: CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS

MATERIALES

Material Conductividad Térmica Btu / h pie2 °F

Ladrillo para construcción

Concreto

Poliestireno Expandido

Cemento enlucido

Acero galvanizado

0.4

0.20

0.02

0.17

2.6

Fuente: Kern, D. Principios de transferencia de calor



TABLA A4-5: CALOR MÁSICO ESPECIFICO Y CALOR DE

RESPIRACIÓN DE ALGUNAS FRUTAS

1Calor másico especifico

(Kcal / Kg °C)

Calor de respiración

(Kcal / Kg día)

Papaya 0.82 0.49

Maracuyá 0.86 2.44

Mango 0.85 0.98

Piña 0.88 1.22

Fresa 0.92 1.31

Fuente: Dossat, R. 1998, Pita, G. 1991 y University of California, Davis,CA 95616

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