Technical Papers. 32nd Annual Meeting. International Institute of Ammonia Refrigeration. March 14 17, 2010

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1 Technical Papers 32nd Annual Meeting International Institute of Ammonia Refrigeration March 14 17, Industrial Refrigeration Conference & Exhibition Manchester Grand Hyatt San Diego, California

2 ACKNOWLEDGEMENT The success of the 32nd Annual Meeting of the International Institute of Ammonia Refrigeration is due to the quality of the technical papers in this volume and the labor of its authors. IIAR expresses its deep appreciation to the authors, reviewers and editors for their contributions to the ammonia refrigeration industry. Board of Directors, International Institute of Ammonia Refrigeration ABOUT THIS VOLUME IIAR Technical Papers are subjected to rigorous technical peer review. The views expressed in the papers in this volume are those of the authors, not the International Institute of Ammonia Refrigeration. They are not official positions of the Institute and are not officially endorsed International Institute of Ammonia Refrigeration 1001 North Fairfax Street Suite 503 Alexandria, VA (voice) (fax) Industrial Refrigeration Conference & Exhibition Manchester Grand Hyatt San Diego, California

3 Trabajo técnico #4 Dimensionamiento de dos sistema de refrigeración desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura, con las alternativas de un sistema en cascada y un sistema en doble etapa Juan Manuel Quintanar Quintanar A. Blasquez E. Refrigeración Industrial, S.A. de C.V. México D.F. Resumen En el ramo de la refrigeración industrial, en la actualidad el uso de los sistemas en cascada CO 2 - Amoníaco ha ido en aumento e importancia como una opción viable para las aplicaciones de baja temperatura, sin embargo, el uso de sistemas convencionales utilizando Amoniaco solo como refrigerante para esta aplicaciones de baja temperatura es más común actualmente. Este trabajo tiene como objetivo presenta los tipos de sistemas comúnmente ocupados en estas aplicaciones y presentar sus ventajas y desventajas tanto en costo de instalación, operación y mantenimiento y poder dar las herramientas para seleccionar uno específico en una aplicación de baja temperatura. IIAR

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5 Dimensionamiento de dos sistema de refrigeración desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura, con las alternativas de un sistema en cascada y un sistema en doble etapa Introducción Para las aplicaciones de refrigeración industrial (principalmente congelación) que tienen condiciones de operación por debajo del punto de congelación del agua 0ºC (32ºF), generan la necesidad de tener que retirar mayor cantidad de energía del producto y variables relacionadas (luces, infiltración, personas, etc.), tanto calor latente como calor sensible. Esto implica tener que seleccionar el mejor o más eficiente sistema de enfriamiento, para tener menor consumo de energía y tener una operación más rentable. Para las aplicaciones de baja temperatura tenemos los conservadores de producto congelados, congeladores tipo blast freezer, túneles de congelación continuos, por citar algunos ejemplos. Donde las temperaturas de operación van de 13 F a 49 F. Por lo que el refrigerante tiene temperaturas de operación de 22 C a 58 F. Por estas razones los sistemas de refrigeración pueden ser una serie de aplicaciones, dando una combinación muy variada con diferentes niveles de temperaturas de operación y dando un diagrama de flujo diferente para cada cliente o proyecto. Es importante considerar dentro de las aplicaciones requeridas los tipos de enfriamiento, los tipos de deshielo que requieren y las condiciones de operación, para poder definir el mejor sistema a utilizar. Es el presente trabajo, vamos a partir de una aplicación de baja temperatura y se definirá las condiciones de operación para poder evaluar dos sistemas de refrigeración para evaluar sus eficiencias y costos de operación. Trabajo técnico #4 IIAR

6 2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California Base De Calculo Lay Out En los proyectos de los sistemas de refrigeración es importante definir un lay out donde las aplicaciones cumplan con un buen flujo lógico de producto y para las aplicaciones que requieran refrigeración estén agrupadas en una zona para poder hacer una buena distribución de tuberías de servicio. Considerando que partimos de un proyecto nuevo donde se cuenta con un área limpia disponible, UNA PLANTA DONDE CONTAMOS CON: Tenemos un lay out general Fig. 1 donde encontramos las aplicaciones que requieren refrigeración y partiendo de una calculo de carga térmica queda: Carga Térmica Temperatura Cámara TR F Congelador en Espiral tipo IQF Almacén de producto congelado Cámara de Materia Prima Área de producción Anden de embarque Donde podemos definir tres niveles de temperatura: Baja Temperatura 40 F Media Temperatura 13 F Alta temperatura 33 F 4 IIAR 2010 Trabajo técnico #4

7 Dimensionamiento de dos sistema de refrigeración desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura, con las alternativas de un sistema en cascada y un sistema en doble etapa Tipos De Sistemas Doble Etapa Por lo anterior tenemos que presentar dos alternativas de un sistema de refrigeración utilizado un sistema en doble etapa utilizando refrigerante Amoniaco NH 3. Dando un diagrama de flujo como se muestra en la fig. 2. y un diagrama de P-h fig. 3. Donde sus principales componentes son: 1) Compresor Booster o primera etapa. 2) Intercooler. 3) Compresor Segunda etapa. 4) Condensador. 5) Recibidor. 6) Recirculador de baja temperatura. 7) Evaporadores. Y teniendo como condiciones de operación Temperatura de succión 49 F, 22 F y 23 F. Temperatura intermedia 14 F Temperatura de Condensación 90 F. Podemos obtener los siguientes datos, de acuerdo con las corridas técnicas de los diferentes fabricantes de equipos. CUADRO 1. Trabajo técnico #4 IIAR

8 2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California Sistema en Cascada Tenemos que para este sistema en cascada un diagrama de flujo como se muestra en la fig. 4. y un diagrama de P-h fig. 5. Donde sus principales componentes son: 1) Compresor para CO 2. En este caso se utilizara compresores tipo reciprocante por la alta densidad del CO 2 y evitar by pass en los compresores de tornillo, así mismo es necesario instalar equipo de recuperación de aceite por la alta miscibilidad del aceite con el CO 2. 2) Recirculador para CO 2. En este equipo se incluirá una unidad condensadora la cual trabajara cuando el sistema este parado, para evitar incremento de temperatura en el recirculador y evitar problemas de presurización y posible cambio de fases del refrigerante. 3) Evaporadores para CO 2. Para los evaporadores del conservador de congelados se considerará un deshielo por resistencias eléctricas directo en un banco dentro de cada evaporador. Para las aplicaciones de Túnel se considera un Espiral donde el serpentín será operado para CO 2 y el deshielo se considera externo con agua. 4) Condensador de Cascada / Evaporador NH 3. 5) Compresor para Amoniaco. Se planteo usar un compresor tornillo para el lado de Amoniaco 6) Condensador Evaporativo. 7) Recibidor. 6 IIAR 2010 Trabajo técnico #4

9 Dimensionamiento de dos sistema de refrigeración desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura, con las alternativas de un sistema en cascada y un sistema en doble etapa Y las condiciones de operación son: Temperatura de succión 40 F, 13 F para CO 2. Temperatura de Condensación para el CO 2 5 F Temperatura de Evaporación amoniaco 10.4 F. Temperatura de Condensación amoniaco 90 F. Por lo cual podemos obtener los siguientes datos, de acuerdo con las corridas técnicas de los diferentes fabricantes de equipos. CUADRO 2. Resultados De los cuadros 1 podemos obtener las características de operación de los dos sistemas, así mismo, como complemento para el análisis más detallado se complemento con los costos estimados de cada proyecto, lo que respecta a cada sistema de refrigeración, materiales y mano de obra para dejar un sistema operando. Cuadro 2 para un sistema de doble etapa con Amoniaco y para el sistema en cascada. Conclusiones De acuerdo con la aplicación de baja temperatura y realizando el estudio de dos alternativas de sistemas de refrigeración mecánica podemos concluir. Que para aplicaciones de baja temperaturas 40 F o menores el sistema en cascada Amoniaco (R-717) Dióxido de Carbono (R-744) es una buena alternativa, pero no sustituto del amoniaco. Debido a las buenas propiedades de CO 2 en esas condiciones, por lo que sistemas combinados con estos refrigerantes presentan una alternativa confiable. Generalmente existe una diferencia entre Trabajo técnico #4 IIAR

10 2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California 5% de variación en consumo de energía por el uso de diferencia del sistema de cascada contra un sistema de doble etapa con amoniaco. El CO 2 como refrigerante debe tener consideraciones de operación como son las presiones de trabajo, tiempo de operación, seguridad, diseñó, instalación y operación del sistema para determinar los puntos críticos del sistema y evitar problemas futuros. En la actualidad nacional se cuenta con pocos elementos disponibles para el uso con CO 2 en la refrigeración industrial, así como literatura para la aplicación y uso de este refrigerante en sistema de producción de frió, la disponibilidad de componentes para trabajar en altas presiones en sistemas de refrigeración es un limitante para el uso de esta alternativa. Sin embargo a nivel mundial existen diferentes fabricantes que tienen el interés de suministrar componentes, válvulas, accesorios, así como equipo para el uso de este refrigerante. La solución que presenta el sistema en cascada NH 3 /CO 2 ayuda a las plantas procesadoras de alimentos a tener equipos más pequeños, de altas capacidades y bajas temperaturas, reduciendo costos de inversión y teniendo condiciones de congelamiento buenas tanto en tiempos como en calidades de producto. En respecto a seguridad los sistemas en cascada generan una disminución de refrigerante Amoniaco y controlan el uso de este en el cuarto de maquinas, con lo que respecta al CO 2 este presenta menor toxicidad que el amoniaco y controlando las condiciones de operación, evitando un incremento de presión el sistema es seguro. 8 IIAR 2010 Trabajo técnico #4

11 Dimensionamiento de dos sistema de refrigeración desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura, con las alternativas de un sistema en cascada y un sistema en doble etapa Referencias Defrost Options For Carbon Dioxide Systems, Andy Pearson, Star Refrigeration, International Institute of Ammonia Refrigeration (IIAR) Annual Meeting Reno Nevada ASHRAE Handbook Fundamentals, American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc. Tullie Circle, N.E. Atlanta E.U.A. Refrigeración Industrial. W.F. Stoecker y H. Pérez Blanco, Business News Publishing Company. Troy Michigan, U.S.A El amoníaco como refrigerante Instituto Internacional del Frió. Versión española. H. Lamia. Franasco J. Cuesta. AMV Ediciones Ammonia/Carbon Dioxide Hybrid Systems: Adventages and Disadvantages. Will Stoecker. University of Illinois at Urbana-Champaign, International Institute of Ammonia Refrigeration (IIAR) Annual Meeting Nashville, Tennessee, The use of Ammonia/Carbon Dioxide cascade systems for low temperature food Refrigeration. Andrew B. Pearson. Star Refrigeration, International Institute of Ammonia Refrigeration (IIAR) Annual Meeting Nashville, Tennessee, Introducing a New Ammonia/CO 2 Cascade Concept for Large Fishing Vessels. P.S Nielsen & T.Lund IIAR Albuquerque, New Mexico CO 2 as Refrigerant. Presentación Power Point Anónimo. Trabajo técnico #4 IIAR

12 2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California Figura 1: Planta de Procesamiento de Carne 10 IIAR 2010 Trabajo técnico #4

13 Dimensionamiento de dos sistema de refrigeración desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura, con las alternativas de un sistema en cascada y un sistema en doble etapa Figura 2: Sistema Simplificado Sistema Doble Etapa NH 3 Trabajo técnico #4 IIAR

14 2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California Figure 3: DIAGRAMAS DE P h Sistema de Doble Etapa Amoniaco (NH 3 ) Presión R F (165.9 psi) F (28.4 psi) F (14.3 in Hg) Entalpía Valores Termodinámicos del diagrama P-h para el NH 3 Punto Temperatura ºF Presión Psia Volumen ft 3 /lb Entalpía Btu/lb T P V h ' IIAR 2010 Trabajo técnico #4

15 Dimensionamiento de dos sistema de refrigeración desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura, con las alternativas de un sistema en cascada y un sistema en doble etapa Figura 4: 4 FIGURA Donde sus principales componentes son: Compresor para CO2. Recirculador para CO2. Evaporadores para CO2. Recibidor para CO2. Condensador/Evaporador CO2 /NH3. Compresor para Amoniaco. Condensador. Recibidor. Trabajo técnico #4 IIAR

16 2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California Figura 5: Diagramas DE P h Sistema Cascada Amoníaco (NH 3 ) Dióxido de Carbono (CO 2 ) Presión F (166.5 psi) F (12.2 psi) 4 1 Entalpía Valores Termodinámicos del diagrama P-h Punto Temperatura ºF T Presión Psia P Volumen ft 3 /lb V Entalpía Btu/lb h Entropía Btu/lbºF s ' IIAR 2010 Trabajo técnico #4

17 Dimensionamiento de dos sistema de refrigeración desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura, con las alternativas de un sistema en cascada y un sistema en doble etapa Figura 6: Diagramas DE P h Presión CO F (317 psi) -50 F (103.3 psi) 1 2 Entalpía Valores Termodinámicos del diagrama P-h para el CO 2 Punto Temperatura ºF T Presión Psia P Volumen ft 3 /lb V Entalpía Btu/lb h ' Trabajo técnico #4 IIAR

18 2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California Cuadro 1: Datos del Diagrama P-h Sistema Amoniaco Cascada Doble Etapa NH 3 -C0 2 Capacidad 90 TR. 90 TR Temperatura de Evaporación 50 F 50 F Temperatura de Condensación 90 F 90 F Sistema Bombas 4:1 Bombas 2:1 Producción Frigorífica Especifica Gasto Másico Trabajo de Compresión 120, ,312 Eficiencia de Carnot Potencia aplicada al compresor de baja Volumen Cuadro 2 Consumo en Equipo Real BAJA 92.1T.R / BHP ALTA TR / BHP BAJA 91.4T.R / BHP ALTA TR / BHP Coeficiente Performance Dimensión del Mayor 36" x 10' Menor 24" x 10' Recirculador Diámetro de tubería 6 in 4 in de Succión Diámetro de liquido 1 ½ in 2 in recirculado Consumó total 299 BHP 282 BHP (compresores) Inversión Inicial $964, USD $868, USD Diferencia 12 % 16 IIAR 2010 Trabajo técnico #4

19 Dimensionamiento de dos sistema de refrigeración desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura, con las alternativas de un sistema en cascada y un sistema en doble etapa Notes: Trabajo técnico #4 IIAR

20 2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California Notes: 18 IIAR 2010 Trabajo técnico #4