PROYECTO TERMODINAMICA 2

IPN-ESIME AZCAPOTZALCODISEÑO DE ENFRIADOR INSTANTANEO A BASE DE HIELO SECO

Instituto Politécnico NacionalProyecto: Enfriador de fluidos con sistema de hielo seco.

IPN ESIME AZCAPOTZALCOENFRIADOR INSTANTANEO A BASE DE HIELO SECO

Tema del proyecto.

Enfriador instantáneo a base de hielo seco.

I. Objetivo general.

Desarrollar diseñar y producir un dispositivo termodinámico con previos antecedentes y un planteamiento de un problema, con el fin de complementar los aprendizajes obtenidos en la materia de TERMODINAMICA II

II. Antecedentes.

Existen medios de refrigeración actuales, pero se realiza una transferencia de calor que requiere un tiempo de transfusión, existen dentro de la industria alimenticia refrigeradores de gran capacidad y que tienen buenos rangos de temperatura que sobrepasan las temperaturas de congelamiento y se pueden usar cotidianamente.

III. Planteamiento del problema.

Usando el antecedente, existen lugares dentro de la república mexicana o distintos lugares en el mundo, donde se requieren enfriar bebidas o líquidos en un tiempo específico y llega a presentarse el inconveniente de que los aparatos de enfriamiento sufren inestabilidades o el tiempo de enfriamiento es muy prolongado. Anexando que existen lugares donde los sistemas de refrigeración dadas las condiciones de lejanía, no se cuenta con suministros de energía eléctrica, por lo que no se puede tener en funcionamiento ninguno de estos aparatos.

IV. Propuestas al planteamiento del problema.

Dentro del ambiente industrial y económico surgen soluciones que pueden aplicarse, pero, una vez aplicado en la verdadero entorno del problema, nos encontraremos con el inconveniente de que no existen los suficientes recursos económicos para electrificar una zona en especial, ni tampoco existen los medios suficientes para que en las zonas lejanas se pueda comprar un aparato que realice el enfriamiento y mucho menos el aparato que genere la electricidad.

Con esto surge una serie de cuestionamientos e integrando en un conjunto, se propone la solución siguiente.

Diseñar y proponer ante las necesidades generales de una sociedad en crecimiento, se ha pensado en integrar un sistema que pueda realizar un enfriamiento de una bebida, a base de un enfriamiento externo, tal cual como sucede con los refrigeradores comunes, con la excepción de que tal vez no se pueda enfriar cualquier sustancia, procediendo a investigar materiales de fabricación, surge un nuevo problema.

Dentro del mercado nacional existen dos productos principales, que pueden ser usados para esta actividad, pero por las zonas donde puede ser operado suele ser peligroso y ocasionar daños a la salud de la persona que realiza el uso del sistema.

Los dos productos son

1. Nitrógeno liquidoLa técnica usada se denomina cryogal, que consta en obtener temperaturas de congelamiento usando el calor de evaporación de nitrógeno líquido donde su punto de ebullición se alcanza a los -196°c, por


lo que el suministro de frio es muy rápido debido a la gran diferencia de temperatura que existe entre el nitrógeno líquido y el producto a enfriar.Para su uso se emplea un recipiente de almacenamiento de nitrógeno líquido aislado donde se induce el vacío y se introduce en el cilindro a presión controlada, se agrega que el nitrógeno líquido se evapora de 0.7 bars (0.6908 atm) a 1.48 bars (1.4803 atm)

El sistema puede ser usado para realizar el enfriamiento a una presión controlada y en un ambiente especial cerrado, pero dada la temperatura de ebullición, si sucede un derrame o algún mal manejo del medio de enfriamiento, puede ocasionar quemaduras por vapor frio.

Los costos de compra de nitrógeno líquido ascienden a 2000 $ y 3000$ pesos mexicanos sin contar el costo del termo donde se realiza el traslado.

Anexando que la vida útil del nitrógeno hasta su total evaporación se realiza dependiendo de la atmosfera de operación, por lo que a una atmosfera de presión y una condición de 25° c un metro cubico de nitrógeno líquido se disipa entre 24 y 30 horas por lo que sería útil durante un corto lapso de tiempo, por lo tanto las investigaciones arrojan que el elemento nitrógeno líquido es aceptable para realizar la tarea, pero la contraparte de los beneficios nos retractan a tomarlo por los altos costos de consumo y por la seguridad de la gente que usara el sistema.

2. Hielo seco (bióxido de carbono solido)Es una elemento que es usado para realizar el enfriamiento a temperatura ambiente de diversos productos, un ejemplo es que algunos comercios usan hielo seco para complementar los refrigeradores comerciales, por lo que se obtienen temperaturas de congelación que son aptas para tener en buenas condiciones los alimentos o bebidas que se están comercializando.Las investigaciones realizadas arrojan que el hielo seco es similarmente peligroso al nitrógeno líquido, pero contraindicatoriamente en este caso, el hielo seco tiene una temperatura de ebullición menorSe anexa la siguiente tabla donde se presentan las propiedades del hielo seco

1) Tabla 1 Propiedades físicas y químicas del hielo seco


De la tabla anterior, desprendemos en particular estas que nos serán útiles en el análisis y diseño del prototipo para realizar el enfriamiento

2) Tabla 1.2 Propiedades fundamentales aplicadas al proyecto

Su temperatura de ebullición a 1 atm de -78.5°c permite realizar la operación de una manera más controlada y respectivamente de una manera más barata, ya que en este producto no existen tantos riesgos como en el manejo del nitrógeno líquido, sin embargo es necesario anexar, que el hielo seco también puede causar quemaduras y el gas desprendido como producto de la evaporación es asfixiante. Por lo que su uso debe ser limitado a espacios abiertos a la atmosfera o con ventilación propia.

Transportación.

La transportación del elemento hielo seco, se realiza en igual ambiente controlado que el nitrógeno líquido, pero en este caso no se requerirá de un termo al vacío o de un tanque de almacenamiento refrigerado, solo se requerirá un contenedor de poli estireno expandido o mejor conocido como UNICEL. Además de que se debe transportar en un ambiente donde el aire que se evapora del hielo seco no tenga contacto con ninguna persona. Por lo que no se requiere tanto personal ni presupuesto que con el nitrógeno líquido.

Precio y extras.

El costo de un bloque de hielo seco o en pellets (capsulas) o bottoms (mentas) ronda entre los 30 y 60 pesos mexicanos dependiendo del distribuidor.

Conocido este elemento, nuestras investigaciones toman al hielo seco como un elemento que puede realizar el trabajo de enfriamiento de una bebida, por lo que es elegido como el principal fluido de trabajo para este diseño.


V. Diseño del prototipo.

El diseño de este prototipo se realizara en base a los que son usados de forma industrial o de forma ilustrativa, de modo que algunos de los materiales, por motivos de presupuestos personales son intercambiados por otros de distinto material o especificación, pero darán a entender el mismo funcionamiento.

Al final en la presentación del prototipo se mencionaran los dispositivos cambiados, por su equivalente o en su caso por un alto costo que afecta en la compra de otros dispositivos del prototipo.

NOTA: Recordemos que el proyecto se propuso originalmente para un sector o una población de bajos recursos que requieren el servicio del prototipo, en el caso de la industria, solo serían adecuaciones en materiales al prototipo que no afectarían su función.

Una vez realizado el boceto de nuestro dispositivo, se efectuaron investigaciones, costeando cada uno de las partes que componen el trabajo. Por lo que se deducen los siguientes precios

PRECIOS DE MATERIALES QUE COMPONEN ESTE EQUIPO.

Nombre del elemento Costo Aproximado (Pesos mexicanos)Cilindro de acero inoxidable $500Tuberías y accesorios de Acero Inox. $400Madera Aislante ( fibracel) $50Madera para soporte $80Válvula de paso $60Hielo seco (2kg aprox.) $80TOTAL $ 1270

3) Tabla 1.3 Precios de materiales para la fabricación del dispositivo

COSTO DE ENSAMBLE. & DISEÑO EXTERIOR

Aplicación Costo Estimado (pesos mexicanos)Soldaduras de cilindro y tuberías. $ 500Pintado de superficies $ 300Accesorios (Tornillos, Tuercas, Bisagras etc.) $ 50Mano de obra (Precio por Día de trabajo) $180 Por periodo de 15 días; =$ 2700Otros Consumos (Accesorios de trabajo, tarifa eléctrica, logística,)

+/- $ 450

TOTAL $ 40004) Tabla 1.4 Precios de producción y ensamble para la fabricación del dispositivo

El precio estimado, asciende a $ 5270 (MXN), Desafortunadamente, no se cuentan con los recursos, para ensamblar un prototipo de este precio, por lo que se ha analizado realizar cambios, sin alterar el funcionamiento principal del prototipo.

Por obvias razones, los elementos que no se pueden modificar son

-Hielo Seco-Material Aislante (Solo se puede cambiar por una Funda térmica)


-Tuberías Y válvulas de conducción

Para reducir aún más los gastos, se efectuaran sustituciones, es decir usaremos elementos similares que logren reducir el costo, pero que no afecten el sistema principal.

Por ejemplo, el cilindro de Acero inoxidable tiene un costo de aproximadamente $500 mxn, incluyendo la manufactura del mismo, En este caso es viable buscar un sustituto. En base a que no daña en nada al funcionamiento del sistema, se realizó un cambio.

Buscando no alterar el diseño exterior, se encontró que la mejor opción para realizar este cambio, es sustituir, el cilindro de acero inoxidable por una Lata de leche en polvo. De semejantes dimensiones, y el mismo diseño, con esto se revierte en gran cantidad, el presupuesto original, ya que se suprimen las soldaduras de junta;

Elemento Original Elemento Sustituto

Costo $500 mxn Costo Aprox. $30REDUCCION DE COSTO $ 470 MXN

Para el segundo caso, en los materiales aislantes se tienen problemas, ya que como se menciono en el principio el material principal de trabajo es hielo seco, cuya temperatura es altamente congelante, y de la ficha técnica se encuentra que es incompatible con el acero, el material del cilindro, a causa de esto se pensó en usar paneles de fibracel, su costo no es elevado, pero no se conoce el efecto del frio del hielo seco sobre los paneles de fibracel, podría realizar agrietamientos por contracción térmica. Consecutivamente, se considero usar UNICEL, ya que de este material se fabrican los contenedores de hielo seco, es viable y a precio accesible, el único inconveniente es que se necesita moldear el unicel y esto conlleva a romper el material al doblarlo.

Existe un material, el cual tiene propiedades aislantes, este es el foami. Un polímero, en forma de plancha que se puede doblar sin fracturar. Por este motivo se decide que es un buen elemento a bajo costo que puede usarse perfectamente.


Elemento original Elemento sustituto

Costo Madera conglomerada $ 30 mxn (1/2m)2 Costo aprox. $ 20 mxn (1.20m2)Costo Unicel $ 30- 50 mxn (1/2m)2

En el tercer caso de tuberías, para el caso de bebidas de consumo humano el material debe ser acero inoxidable, ya que no permitirá al adhesión, ni la corrosión. Pero dado el caso de uso industrial, Se puede efectuar un cambio de los tubos y llaves de acero inoxidable, a tuberías de cobre lo cual reduce en gran cantidad el costo de fabricación. Y no se afecta el funcionamiento principal

Elementos originales Elemento sustituto


VI. CALCULO DE TUBERIA.

Dadas los cambios anteriores, se debe buscar una tubería que sea adecuada al sistema, es decir, que permita que el hielo seco realice su función, y que simultáneamente permita el drenado del mismo, entonces se procede a la literatura. Mecánica de fluidos 6ta edición. Mott Robert. Capítulo 6. “El flujo de los fluidos. “

De ahí calculamos el caudal de una tubería de cobre tipo K común para agua, Usando esta ecuación:

Q=A∗v

Dónde:

Q=Flujo de la tuberíaA=Flujo de área de la tuberíaV= Velocidad promedio de drenado del fluido

El calculo de la velocidad se obtiene de la ecuacion.

v=d / t

Donde v; es velocidad en (m/s) ; d: distancia en (m) ; t= tiempo en (seg)

Realizando el calculo para una tuberia de ½” con una longuitud de 30 cm. Se hace la medicion del tiempo que toma en bajar el fluido en la longuitud anterior. Y se obtiene .4 seg

v=¿.3m / .4 seg. = 0.75 m/s

Para el calculo del flujo; del libro mecanica de fluidos en la seccion apendice G, buscamos tuberia de cobre tipo K y su valor de area de flujo es ; 1.407E-4; Por lo tanto sustituimos estos valores. En Q= A*v

Q=1.407 E−4m2×0.75ms

Q=1.05525 E−4 m3

s∴=1.05525 E−41000< ¿

1m3=0.105 litros

segundo¿


VII. Diseño & Ensamble.

VIII. Diagramas.a. Diagrama de funcionamiento del dispositivo.

Ingreso del fluido al sistema de

refrigeración

(Con Te> al normal)

Llenado de contenedor de

hielo seco (manualmente)

Refrigerado mediante

transferencia de calor

T2<Te

Liberar el fluido

abriendo válvula de

salida

Si

Reingreso del fluido al sistema

No

Se realizó correctamente

Depurar el hielo seco al

ambiente exteior

FIN Del proceso


IX. Biografía.

PROYECTO TERMODINAMICA 2

Documents

Transcript of PROYECTO TERMODINAMICA 2