PROYECTO DE CAMARA PARA REFRIGERACIÓN

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1 PROYECTO DE CAMARA PARA REFRIGERACIÓN Joé Iván Malavé Godoy 1, Angel Varga Zúñiga 1 Egreado de Ingeniería Mecánica Director de Tei Ingeniero Mecánico, Ecuela Superior Politécnica del Litoral, Potgrado en Francia 1973, Proeor de ESPOL dede 1973 RESUMEN La exportación de un producto de alta calidad depende en gran anera de u proceaiento y tecnología aplicada El Ecuador no tiene hitoria citrícola coo e encionó, y todo lo adelanto que e han coneguido e han hecho en ora apreurada y in ayore planteaiento técnico Motivo por el cual, e neceario etablecer directrice en torno a PROYECTOS DE CÁMARAS FRIGORÍFICAS, etableciendo pauta obre ubicación, poición de la cáara, criterio de dienionaiento, y obre todo caracterítica que debe cuplir la contrucción, in olvidar la caracterítica organoléptica del lión en unción de la condicione anotada anteriorente Otro de lo objetivo de etá tei e preentar un odelo a eguir de cálculo reerente a condenadore y evaporadore con rerigerante ecológico La inoración bibliográica diponible e reite a lujo en una ola ae y no conideran la preencia del aceite en el itea de rerigeración Lo cálculo que e exponen en eta tei on para lujo biáico, condicione de lujo que e preentan tanto en el condenador aí coo en el evaporador INTRODUCCIÓN El Ecuador e un paí de riqueza agrícola, con clia uy variado debido a la ituación geográica del paí De todo lo producto alienticio que e dearrollan en el pio cálido, a parte del banano, la exportacione de lo producto no tradicionale repreentan un rubro iportante en la exportacione de lo últio 5 año La explotación coercial de cítrico e ha dearrollado en la región Cotanera, pero actualente el territorio detinado al cultivo de cítrico e encuentra ditribuido a lo largo del litoral, iendo la principale provincia productora Manabí, Guaya y Lo Río Recienteente con el proyecto CEDEGE e habilitó coniderable hectárea de terreno no apto para el cultivo, ante deértica ahora értile para la agricultura Motivo por el cual, contribuyendo al dearrollo econóico que e va a obtener al increentare la producción del lión Tahití, e neceario etablecer directrice en torno a un PROYECTO DE CÁMARA FRIGORÍFICA, etableciendo idea obre ubicación, poición de la cáara, criterio de dienionaiento, y obre todo caracterítica que debe cuplir la contrucción Se preenta un análii reerente a lo rerigerante alternativo y un criterio de elección en bae a u ventaja y deventaja reerente a lo CFC() y HFC() Aiio coo el itea de rerigeración a utilizar

2 Al no exitir detalle de cálculo reerente a condenadore y evaporadore con rerigerante ecológico en ete artículo e preenta un odelo de cálculo a eguir La inoración bibliográica diponible e reite a lujo en una ola ae y no conideran la preencia del aceite en el itea de rerigeración Lo cálculo realizado on para lujo biáico, condicione de lujo que e preentan tanto en el condenador aí coo en el evaporador CONTENIDO 1 Propiedade terodináica de cítrico TABLA I CALORES ESPECIFICOS DE CITRICOS PRODUCTO Kcal/ C KJ/ C REF GRAPEFRUIT 0,91 (obre T cong ) 0,46 (bajo T cong ) NARANJA 0,90 (obre T cong ) 3,751 (obre T cong ) 1 0,46 (bajo T cong ) LIMON 0,98 (obre T cong ) 0,46 (bajo T cong ) 1,930 (bajo T cong ) 3,818 (obre T cong ) 1,955 (bajo T cong ) Selección del rerigerante A continuación e evaluarán la propiedade de lo rerigerante para eecto de elección por tre caracterítica undaentale: - Preión de vapor - Teperatura y preión crítica - Maa olecular M Coo e puede apreciar en la atriz de deciión de abajo la elección reulto er el rerigerante ecológico R 134a, por lo tanto de aquí en adelante e hará ención a la propiedade a ete luido rigorígeno MATRIZ DE DECISION EVALUADO CADA PARAMETRO SOBRE 10 PUNTOS R 134a R 600 a NH3 Preión de vapor (PE) Tep critica Pre critica Maa olecular Acción obre producto perecedero Precio, lbiva 486(83) 413(903) 316(10) Total

3 3 Selección del itea de rerigeración 31 Deterinación de la teperatura de condenación y evaporación En la práctica e adopta una dierencia de teperatura de 10 a 15 C para condenadore enriado por aire Tcondenaci ón Taire, bulbo ec o ΔT Ec1 T condenación 33 C 1 C 45 C TABLA II DIFERENCIA DE TEMPERATURA VS HUMEDAD RELATIVA (6) Huedad relativa 90% 85% 80% 75% Tubo lio ( C) Tubo con aleta ( C) La condicione etablecida en el alacenaiento del lión Tahití 9 C y 90 % de huedad relativa, para un evaporador de tubo con aleta e toará la dierencia de teperatura de 6 C La teperatura de evaporación del rerigerante erá: Tevaporació n Talacenai ento ΔT Ec T evaporación 9 C - 6 C 3 C 3 Trazado del ciclo y cálculo de la potencia y capacidade de lo coponente principale Lo dato obtenido de la tabla III on: P condenación 14 pig P evaporación pig Ahora e deterina la relación de copreión, con la ecuación 3: P condenación r Ec3 r 3 17 Pevaporación TABLA III Preión v Teperatura de alguno rerigerante (5) R1 R134a R600a R401A R401B R409A T ( c) P (pig) P (pig) P (pig) P (pig) P (pig) P (pig)

4 Coo la relación de copreión e enor a 10, el itea de rerigeración erá de una etapa Para trazar el ciclo debeo tener preente 4 punto en el io: Punto 1: T 1 8 C (464 F) p 1 03 Mpa h KJ/ Punto : T 53 C p 10 Mpa v / Punto 3: T C 418 C p 3 10 Mpa v / Punto 4: T 4 3 C (-16 F) p 4 03 Mpa X 8% v / KJ/K h 4315 KJ/ 1785 KJ/K h 3 60 KJ/ KJ/K v 4? 3 / h 4 60 KJ/ 4? KJ/K El punto 4 etá en la zona de ezcla húeda: X % Por lo tanto el voluen epecíico y entropía en ee etado erá: v v Xv g Ec4 v x( ) / X g Ec x( ) 1111 KJ/K 33 Cálculo de lo principale paráetro del ciclo El calor aborbido por el evaporador e el io que neceitao reover del cálculo de la carga La ecuación 6 relaciona el lujo áico y la dierencia de entalpía entre lo punto 4 y 1 (entrada y alida del evaporador) Q evap ( h h ) 4 1 Ec6 Kcal KJ 635 x41868 h Kcal r 1784 KJ ( ) h

5 La potencia del copreor e deinida por el trabajo del copreor, y etá dada por: ( h P h ) 1 η i η Ec7 η i eiciencia indicada del copreor η eiciencia ecánica del copreor Aproxiadaente la eiciencia indicada y ecánica on iguale y e obtiene de la ig 1 y e igual a 0766 con r 317 Eiciencia voluétrica n -0,088x 0, Relación de copreión (r) Fig 1 Eiciencia voluétrica V Relación de copreión La potencia a intalar erá: kg KJ 1784 x( ) h P 0766x0766 P 1K 8HP 76011KJ / h El calor rechazado por el condenador e: Q c x( h h3) Ec410 KJ KJ Q 1784 x( ) K rechazado h h 4 Cálculo y elección del condenador Ante de paar a realizar lo cálculo, priero e etablecerá la dienione del condenador La coniguración dienional erá la iguiente: Longitud eectiva de lo tubo Diáetro exterior de lo tubo Separación vertical de lo tubo Separación longitudinal de tubo Geoetría de aleta Altura de la aleta Pao de aleta (t) : 3 : 54 : 50 : 50 : circular : 14 : 3

6 La velocidad áxia etá dada por la ecuación 8: ST Vax V Ec8 ST D La Fig uetra un corte tranveral del banco de tubo: Fig Corte tranveral del banco de tubo La velocidad áxia del aire dentro del banco e: 50 V ax 3 / 5769 / (50 54) Entonce el núero de Reynold evaluado con la propiedade a la teperatura de película e: Re 1115 x x10 ρv Re ax t ax Ec9() μ x3x10 ax N El proceo de condenación abarca tre zona: a) derecalentaiento, b)condenación y c) ubenriaiento De eta zona e puede depreciar la del ubenriaiento, ya que e uy pequeña en coparación con la de condenación y derecalentaiento Fig 3 Diagraa de teperatura del condenador

7 El calor de condenación etá dividido en do parte: Q Kcal KJ 7970 ( ) Qc 1 Qc h h c Ec10 ' Q ( ) c r h h3 Ec KJ Q c ( ) 77698K (79715 ) 3600 h De acuerdo a la ecuación 10, Qc K (5795 KJ/h) A) Zona de condenación La upericie de tranerencia de calor etá dada por: Qc A Ec1 UΔTl Donde ΔT l etá deinida por la ecuación 1: ( T Δ Tl S Ti ) ( TS To ) TS Ti ln T T S o (45 33) C (45 35) c ln C Ec Cálculo del coeiciente de convección del aire, a Duinil () preenta para el cao de condenadore y evaporadore con aleta la ecuación 14, que calcula el núero de Nuelt (o Biot): d 054 h Nu 0116( ) ( ) Re Pr Ec14 () t t El coeiciente de convección del aire etá relacionado por edio de la ecuación 15: K a a Nu Ec15 () t Donde: K a conductividad térica del aire, 719x10-3 / K t pao de aleta, x10 3 Re N 1906x Nu 0116( ) ( ) (100) (0705) x10 a x10 K 41 Cálculo de la eiciencia global upericial,η o Para hallar la eiciencia upericial global utilizareo la iguiente expreión toada de la ección 365 de Incropera, Re 3-:

8 A ηo 1 (1 η ) Ec16 A La eiciencia de una aleta e: η η (34 ) tgh K (0014 ) 177 (00005) K 095 (34 ) K (0014 ) 177 (00005) K 95% Para una hilera teneo que el área total de la aleta etá dado por: longitud 3000 ρ 1000aleta / tubo pao, t 3 πd πd A ( )ρ Ec π 0054 π 0086 A ( )x El área de la upericie externa incluida la aleta, A o, e la iguiente: πd πd o Ao πdo ( L ρ e ) ( ) xρ 4 4 π 0054 Ao πx0054( x00005) ( 4 x Ao 0389 El valor de A e 0389, entonce: (1 095) % 0389 η o π ) xx 413 Cálculo del coeiciente de película del rerigerante, r Para la condenación de vapor luyendo dentro de tubo cilíndrico, experiento de Aker, Dean y Croer (7) reportaron que la condenación de vapor en tubo horizontale o verticale, iguen la correlación dada en la ecuación 18 (tiene un rango de 0% de exactitud): 4 1/ 3 1/ 3 Para Re < 5x10, Nu 503(Re ) (Pr) G G / 3 Para ReG > 5x10, Nu 0065(ReG ) (Pr) Ec18 (7) El núero de Reynold (Ec 18) etá deinido en unción de la velocidad áica (Ec 19):

9 G V ρ Ec19 (7) 6 DiG ReG μ La correlación de Aker, dada en la ecuacione anteriore etá en térino de la velocidad áica equivalente G E, deinida coo: ρ L 1/ GE GL Gv ( ) ρ v EC0 La propiedade del rerigerante a 45 C on (3)- auio que on iilare a la del R1; pueto que la propiedade terodináica para un rerigerante utituto del R1 e aeejan, por lo cual e viabiliza u reeplazo -: ρ C p μ10 k10 3 Pr kg/ 3 kj/kgk N/ ν10 / /K Para deterinar la velocidad dentro del condenador, auireo que el condenador tiene 5 pao por lo que la velocidad e: D i 86 (09 pulg) e 17 (005 pulg) A i 96x10-5 r 4( V 5 ρa i 1784 ) 4( h ) 3600x x Según (6) la velocidad en la tubería de líquido etá entre 05 y 15 /, aproxiando ete valor al proedio 0875 / Auiendo que la velocidad del vapor y del líquido on iguale la velocidad áica equivalente e: 116 1/ G E (0875x116) (0875x5790)( ) x10 x110 Re G N 35x / 3 Nu 0065(117700) (341) x10 r x10 K El coeiciente global de tranerencia de calor U e: 1 U Ec1 πr1 r1 e 1 a Aoη o K Al ( r1 r ) r U x x 3 π ( ) (1143)(17 10 ) 1 K 34x0389x ( ) 1360 Donde el área de tranerencia de calor para la zona de condenación e:

10 77698 A x1097 B) Zona de derecalentaiento Se deterina el coeiciente del rerigerante, para un lujo turbulento y en etado gaeoo, la contante requiere que la unidade en el itea Inglé: 08 G r 0006 Ec () 0 Di GvDi 10000μv ReG Gv μv Di La denidad y vicoidad dináica del vapor rerigerante a la teperatura edia de 48 C (30 K) on: 69 / 3 y 0013x10-3 Pa, repectivaente 10000x0013x10 Pa Lb Gv x10 h pie Di pie La relación anterior da: 08 (4180) BTU Kcal r (00747) h pie C h C K El coeiciente global de tranerencia de calor e: U 1 87 x x 3 π ( ) (1143)(17 10 ) 1 K 34 x0389 x ( ) 17 Ahora la dierencia de teperatura edia logarítica e: (53 33) C (45 35) c ΔTl 14 4 C ln El área de tranerencia de calor para la zona de derecalentaiento e: 7165 A x144 K K El área de tranerencia total de calor e: 457 El condenador a eleccionar e el BBV/BLV-3505H con copreor 6DG3-350E lubricado con aceite polioléter 5 Selección y cálculo del evaporador La aleta a utilizar on de ección circular contruida en aluinio y de 05 de epeor Para hallar el diáetro de la aleta, abeo que e obtiene un rendiiento atiactorio i (6) Aaleta πd πd πd 7 D 8d Ahueco La relación anterior uetra que el diáetro de la aleta e 8 vece el diáetro del tubo del evaporador, e decir, 8 x Para deterinar la longitud del evaporador debeo aber cuál e el caudal deeado de aire que debe paar a travé del io El lujo áico de aire que e neceita la teperatura de 9 C (8 K) para tranerir 6094 KJ/h (748 K) e:

11 Propiedade a 8 K: ρ a 1453 /3, cp a 1006 J/ K J Qevap Va 37 ρ c Ti To J a pa ( ) 1453 x1006 x(98 85) K 3 kg K La ección perpendicular al lujo erá auiendo una velocidad rontal del aire o de corriente libre de 3 / velocidade típica áxia para evaporadore etá entre 36 y 15 / (4)- para un evaporador: x3 / El nuevo valor de H (altura evaporador) e 90 c, por lo tanto la longitud erá: 09 La eparación entre aleta e t e igual a 8 (6) La velocidad áxia dentro del banco de tubo e: 3 V ax 3 / 436 / Cálculo del coeiciente de convección exterior: a La expreión 3 no perite calcular el coeiciente de convección: Ka d 054 h a 0116 ( ) ( ) Re Pr Ec3 () h t t La propiedade terodináica del aire a la teperatura de película de 79 K (6 C) on: 6 ρ C p μ10 7 k10 3 Pr kg/ 3 kj/kgk N/ ν10 / /K El núero de Reynold evaluado en el pao t: 436x8x10 Vaxt Re ν a 6 140x10 Reeplazando lo valore en la ecuación 3 teneo: a 0116 ( ) ( ) (490) (071) K 5 Cálculo de la eiciencia de la upericie global: n o El procediiento e iilar al realizado en el condenador y e igual a :

12 η η (60 ) tgh K (0010 ) 17 (00005) K 095 (60 ) K (0010 ) 17 (00005) K 95% Para una hilera teneo que el área total de la aleta etá dado por: π 008 π 0010 A ( )x El valor de A e igual a 0365 : (1 095) % 0365 η o 53 Cálculo de la upericie intercabio de calor: Podeo utilizar el étodo de la reitencia para hallar el coeiciente K Fig 4 Corte tranveral tubo del evaporador Utilizando el étodo de la reitencia e obtiene: 1 Ec4 πr1 t r1 e a Aoη o K Cu ( r1 r ) Reeplazando lo valore y toando el epeor de 083x10-3, e obtiene: x x x x x x x 3 π K 60x0365x x( ) 33 / K

13 54 Cálculo de la teperatura del aire T La teperatura proedio del aire e de 9 C: Q u 1 33x(9 T ') Tabién abeo que el calor tranerido debe er el io que el rerigerante a la teperatura Ti traniere a la pared del tubo del evaporador (T ), e tiene que: Qu r ( T ' Ti) donde Ti 3 C La velocidad áica e unción del coeiciente de película del rerigerante, tal coo e uetra en el diagraa de GOGOLINE () La velocidad áica etá deinida por la iguiente expreión: r G 3600A donde: A e el área de la ección tranveral de lo tubo, r lujo áico del rerigerante en cada evaporador, /h Reeplazando lo valore: G (30x4965x10 ) Utilizando el diagraa de Gogoline e obtuvo lo iguiente valore para la ecuacione anteriore: Q u Kcal/h Q u / / T -Ti C T C Para la expreión anterior 33x(9 ') : Q u 1 T Q u / T C

14 Qu V T' Qu, / T', C Fig 5 Valore ajutado de la tabla para hallar T El punto interceptado para T e 53 C y el lujo unitario de calor e 10 / La upericie de tranerencia de calor requerida e: Qevap 10400x41868 A Q 3600x10 u1 La longitud por etro de tubería para un diáetro noinal de 5/16 ( 10 ) preenta una upericie interna de: πxdx x694x10-3 0x10-3 / La longitud total de tubería requerida e: L t Coo teneo la retricción en la longitud de lo tubo de, la cantidad de tubo total erá: 500 N 7 8 Coo en la dirección vertical teneo 30 tubo, neceitao 8/ tubo (ancho) La dienione del evaporador on: H 090 (90 c) L A 06 (6 c) {in ventiladore, 40 c con vent} En el APÉNDICE F e encuentra una lita de evaporadore de lo cuale eleccionao el BHE/BHL 480 Joé Iván Malavé Godoy Ing Angel Varga Z Teita Director de Tei CI