Diego Fernando Mendoza Muñoz Ing. Químico UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARIBE

Diseño preliminar de un cuarto Frigorífico Jocsan David Altamar Martínez

1.

Facultad de Ingeniera, Termodinámica I, Universidad Autónoma del Caribe UAC, Barranquilla, Colombia

1- Se requiere diseñar un cuarto frigorífico, para almacenar 1000 kg de carne a -4°C, el sistema de

refrigeración debe ser capaz de enfriar el cuarto y su contenido en 4 horas , realizar un diseño

preliminar que cumpla con el encargo deseado, sabiendo que las dimensiones del cuarto son

de 5,0 m x 5,0 m x 3,0 m.

SOLUCION:

Como primera instancia se realizara un esquema preliminar el cual constara con los elementos básicos de

trabajo y seguridad para un cuarto, en la tabla una se muestran los elementos básicos del circuito de

refrigeración:

Pieza Nombre Cant.

1 Evaporador 1

2 Acumulador de aspiración 1

3 Presostato de baja 1

4 Compresor 1

5 Presostato de Alta 1

6 Condensador 1

7 Recipiente del Liquido 1

8 Filtro del líquido (antihumedad-antiácido) 1

9 Válvula de expansión 1

Tabla 1. Elementos de trabajo y de seguridad, del Frigorífico.

Para efecto del encargo

trabajaremos con los elementos (1,

4, 6, 9) pero no quiere decir que los

otros elementos no sean necesario,

recuerde que estos están por

seguridad, para ello se

recomienda leer el glosario, que se

encuentra al final de este informe,

en el cual se explica brevemente

la función de cada uno.

En la figura 1, se logra apreciar el

circuito básico del funcionamiento

de un frigorífico.

Fig. 1. Esquema básico del funcionamiento de un cuarto frigorífico

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DATOS DE ENTRADA:

mCARNE = 1000 kg

Tiempo de enfriamiento = 4 horas

TAMBIENTE = 30°C ± 3

TENFRIAMIENTO = - 4°C

ANALISIS PARA EL CUARTO FRIGORIFICO:

DETERMINAMOS VOLUMEN DEL CUARTO.

Para determinar la transferencia de calor que realiza el cuarto asía el

evaporador procedemos a calcular ciertos parámetros que son

importante para efecto de diseño

DETERMINAMOS VOLUMEN DE CARNE: como la carne es materia, entonces ocupa un lugar en el

espacio (volumen), para ello usamos la ecuación de densidad para determinar el volumen.

⁄

El valor de la densidad lo conseguimos en “MANUAL DE DATOS PARA INGENIERIA DE LOS ALIMENTOS”, de

GEORGE D. HAYAS, en la pág. 42, pero el valor de la densidad esta en unidades del SISTEMA INGLES y

estamos trabajando con unidades del SISTEMA INTERNACIONAL, lo cual tendremos que usar un factor de

conversión para trabajar con las unidades adecuadas:

( )

Luego entonces el volumen de la carne es:

⁄

⁄ ( )

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DETERMINAMOS VOLUMEN DEL AIRE: como en el cuarto frigorífico hay carne y aire, es necesario

determinar la masa de este pero para ello necesitamos determinar parámetros como son la

densidad del aire, la masa del aire, hasta el mismo volumen con el objetivo, cuanto puede variar, al

final de este ejercicio hay una recomendación, que sería muy útil tenerla en cuenta.

DETERMINAMOS DENSIDAD DEL AIRE: si la densidad relativa del

aire es 0,0013 a 0°C y 1 Atm de presión:

DETERMINAMOS MASA DEL AIRE:

ANALISIS TERMODINAMICO PARA EL CUARTO FRIGORIFICO: para el análisis termodinámico del

cuarto realizamos:

*La masa es constante durante todo el proceso.

*Es un sistema cerrado y estacionario.

*El sistema está totalmente aislado por ende no hay transferencia

de calor con el medio.

BALANCE DE ENERGIA:

( )

( )

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∫

( )

( ) ( )

Cabe resaltar que este q que sale es por unidad de masa así que multiplicando esta por la masa del

sistema tenemos (masa de aire más masa de carne) tenemos la transferencia de calor del sistema.

(

) (

)

∫

∫

Para caracterizar un sistema termodinámico, es necesario tener cuidado con las unidades, para ello

recordamos que la unidades de la temperaturas se dan en escala absoluta, y esta son en Kelvin (°K) para

el sistema internacional, para ello usamos la relación T(K) = 273,15 + T(°C)

TAMBIENTE = 30°C ± 3 (303,15 K)

TENFRIAMIENTO = - 4°C (269,15 K)

ANALIZIS TERMODINAMICO PARA EL AIRE: para determinar el Cp del aire hay que tener en cuenta

ciertas cosas, como que hay que tomar el comportamiento del aire como un gas ideal, utilizando

la “TABLA A-2” calores especifico de gas ideal de varios gases comunes, como una función de

temperatura, como se logra ver hay un límite de temperatura que esta fuera del intervalo (273 K –

1800 K) para ello el integral lo dividimos en dos integrales un integral que va de 303,15 k a 273 K y

otro integral que va de 273 K a 269,15 K,

a = 28,11

b = 0,1967 x 10-2

c = 0,4802 x 10-5

d = -1,966 x 10-9

∫

∫

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∫ ( )

∫ ( )

(

)

(

)

[(

)

(

)

]

(

* (

* ( )

ANALISIS TERMODINAMICO PARA LA CARNE: la carne tiene un punto de congelación de -2,8°C

(270,35°C), lo cual tiene un Cp por encima del punto de congelación de 3,08 kJ/kg°K y un Cp por

debajo del punto de congelación de 1, 68 kJ/kg°K, para ello elegimos el Cp por encima del punto

de congelación, ver figura 2.

∫

( )

El Cp de la carne se consiguió en la “TABLA A-3” de solidos,

líquidos y alimentos comunes.

∫

( )

( ) ( )

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Luego entonces el Q sale es:

∫

∫

( )

La cantidad de calor que sale es de 199383,02 pero trabajaremos como un factor de seguridad de

1 (FS = 1) por ende los cálculos realizados de aquí en adelante los haremos con 200000 kJ, para evitar

problemas de dimensionamiento y selección de equipos.

DETERMINAMOS CANTIDAD DE CALOR POR UNIDAD DE TIEMPO:

La transferencia de calor por unidad de tiempo al evaporador es 50000 kJ/h.

ANALISIS TERMODINAMICO PARA EL EVAPORADOR:

*Sistema abierto, es decir, que la cantidad de flujo másico que

ingresa al evaporado es la misma que sale del evaporador.

*el Fluido que viaja por el evaporador es el R134a.

*Q sale del cuarto frigorífico es igual al Q entra al evaporador

DETERMINAMOS BALANCE DE FLUJO MASICO:

En este paso calcularemos la masa de vapor saturado que llega a

compresor

DETERMINAMOS BALANCE DE ENERGIA:

( ) ( )

(

)

(

)

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( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

Para determinar la entalpia en (1) y en (2) nos vamos a las tablas de “SATURACION” tabla A-11, donde

h(1) representa la entalpia del líquido saturado, y h(2) representa la entalpia del vapor saturado, nuestra

entrada va ser la temperatura, como necesitamos pasar de 30°C a -4°C, pero esta temperatura en la que

deseamos que este en cuarto frigorífico, de este modo que la temperatura con la que sale al ambiente es

de ∆T de -10°C.

Tabla 2. Datos entalpia (kJ/kg) para evaporador

T (°C) PSAT (kPa) hf (kJ/kg) hfg (kJ/kg) hg (kJ/kg)

-10°C 200,74 kPa 38,55 kJ/kg 205,96 244,51

⁄ ⁄

⁄

DETERMINAMOS FLUJO MASICO DEL SISTEMA: el flujo másico que determinemos en este paso será el

que se usara para el resto de elementos del circuito de refrigeración, recuerde que como tal el

circuito es un sistema cerrado pero cada elemento (sin incluir el cuarto) es un sistema abierto

La transferencia de flujo másico por unidad de tiempo al comprensor es 242,79 kg/h.

ANALISIS TERMODINAMICO PARA EL

COMPRENSOR:

*Sistema abierto, es decir, que la cantidad de

flujo másico que ingresa al compresor es la misma

que sale del comprensor.

DETERMINAMOS BALANCE DE FLUJO

MASICO:

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DETERMINAMOS BALANCE DE ENERGIA:

( ) ( )

(

)

(

)

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

Recuerde que h(2) es para un vapor sobrecalentado y h(1) es un vapor saturado, es decir, que para h(1)

podemos usar los valores de la tabla de R134a saturado a temperatura de -10°C, que anteriormente

usamos para el evaporador, mientras que para h(2) que es un vapor sobrecalentado, nos vamos a la tabla

de vapor sobrecalentado R134a “TABLA A-13” , apoyándonos en el diagrama Ph del R134a a una

temperatura de 40°C, tendremos una presión de trabajo de 1,00 Mpa, esto quiere decir que para

determinar h(2) está en función de la presión.

Tabla 2. Datos entalpia (kJ/kg) para evaporador

T (°C) PSAT (kPa) hf (kJ/kg) hfg (kJ/kg) hg (kJ/kg)

-10°C 200,74 kPa 38,55 kJ/kg 205,96 244,51

Luego entonces; h(1) es igual que hg = 244,51 kJ/kg, de la tabla A-13 a una presión de 1000 kPa (1,00 Mpa)

Tabla 3. Datos entalpia (kJ/kg) para comprensor

P (°C) T(°C) h (kJ/kg)

1000 kPa 40°C 271,71 kJ/kg

1000 kPa 43°C 275,01 kJ/kg

1000 kPa 50°C 282,74 kJ/kg

Interpolando podemos determinar la entalpia cuando la temperatura es de 43°C

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( ) (

)

( )(

)

(

)

Luego entonces:

( )

(

)

(

)

Determinamos trabajo neto:

(

)

ANALISIS TERMODINAMICO PARA EL CONDENSADOR:

*Sistema abierto, es decir, que la cantidad de flujo másico que ingresa al condensador es la misma que

sale del condensador.

*el Fluido que viaja por el condensador es el R134a.

DETERMINAMOS BALANCE DE FLUJO MASICO:

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DETERMINAMOS BALANCE DE ENERGIA:

( ) ( )

(

)

(

)

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

Como ya sabemos de antemano que el valor de h(2) para un líquido saturado y h(1) para es la de un

vapor sobrecalentado que sería la entalpia h(2) usada en para el comprensor que es 275,01 kJ/kg y h(2)

que es la entalpia para un líquido saturado, nuevamente apoyándonos en el diagrama de Ph del R134a,

nos damos cuenta que la presión en evaporado se mantiene constante y esta es de 1000 kPa (1 Mpa),de

aquí podemos usar la tabla saturada con entrada de presión.

Tabla 4. Datos entalpia (kJ/kg) para condensador

P (kPa) TSAT (°C) hf (kJ/kg) hfg (kJ/kg) hg (kJ/kg)

1000 kPa 39,37°C 107,32 kJ/kg 163,67 kJ/kg 270,99 kJ/kg

Luego entonces h(1) = 275,01 kJ/kg y h(2) = 107,32 kJ/kg entonces la transferencia del evaporador al

ambiente es :

( )

(

)

(

)

Determinamos calor neto:

(

)

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ANALISIS TERMODINAMICO PARA LA VALVULA DE EXPANSIÓN:

*Sistema abierto, es decir, que la cantidad de flujo másico que ingresa a la válvula es la misma que sale de

dicha válvula

DETERMINAMOS BALANCE DE FLUJO MASICO:

DETERMINAMOS BALANCE DE ENERGIA:

( ) ( )

(

)

(

)

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

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Fig. 2. Ciclo de refrigeración del frigorífico.

Esquema final del circuito de refrigeración del frigorífico

Fig. 3. Circuito del cuarto frigorífico.

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GLOSARIO.

EVAPORADOR: Es un intercambiador de calor donde se produce la transferencia de energía

térmica desde un medio a ser enfriado hacia el fluido refrigerante que circula en el interior del dispositivo.

Su nombre proviene del cambio de estado sufrido por el refrigerante al recibir esta energía, luego de una

brusca expansión que reduce su temperatura. Durante el proceso de evaporación, el fluido pasa del

estado líquido al gaseoso.

ACUMULADOR DE ASPIRACION: Es un recipiente capas de retener el exceso de líquido en fondo,

asegurando que el refrigerante que sale lo haga en forma de gas, el tubo de entrada de modo que el

líquido bañe las paredes tomando todo el calor posible de ellas, para favorecer la evaporación, además

un buen acumulador de aspiración tiene que asegurar el retorno del aceite al comprensor, ya que en la

evaporación tienden a separarse, permitiendo que el gas de aspiración arrastre el aceite en la proporción

adecuada, pero impidiendo el retorno de suciedad y partículas que dañaran lo cilindros, el tubo de salida

aspira solo gas de la parte superior y dispone de un orificio dosificador de recuperación del aceite en

proporción debida.

PRESOSTATO DE BAJA: Es un elemento de seguridad que tiene la función de parar la instalación cuando la

presión de esta disminuye o si aumenta. La escala principal es de parada y suele poner “ALTO” al

compresor.

COMPRESOR: es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto

tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un

intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es

transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión

y energía cinética impulsándola a fluir. Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos,

pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su

fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de

temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles,

pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

PRESOSTATO DE ALTA: Es un elemento de seguridad que tiene la función de parar la instalación cuando la

presión de esta es excesiva o si disminuye. La escala principal es de parada y suele poner ”ALTO” al

compresor.

CONDENSADOR: Es un cambiador de calor latente que convierte el vapor (en estado gaseoso) en vapor

en estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (o

extractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el

vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera. Condensando el vapor del extractor

de la turbina de vapor, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo

de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de

la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina de vapor, genera más calor

por unidad de masa de vapor entregado a la turbina de vapor, por conversión de poder mecánico.

RECIPIENTE DE LÍQUIDO:

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FILTRO DE LÍQUIDO (antihumedad- antiácido):

VALVULA DE EXPANSIÓN: es un dispositivo de expansión el cual es un componente clave

en sistemas de refrigeración y aire acondicionado, que tiene la capacidad de generar la caída

de presión necesaria entre el condensador y el evaporador en el sistema. Básicamente su misión,

en los equipos de expansión directa (o seca), se restringe a dos funciones: la de controlar

el caudal de refrigerante en estado líquido que ingresa al evaporador y la de sostener un

sobrecalentamiento constante a la salida de este. Para realizar este cometido dispone de un

bulbo sensor de temperatura que se encarga de cerrar o abrir la válvula para así disminuir o

aumentar el ingreso de refrigerante y su consecuente evaporación dentro del evaporador, lo

que implica una mayor o menor temperatura ambiente, respectivamente.

Este dispositivo permite mejorar la eficiencia de los sistemas de refrigeración y de aire

acondicionado, ya que regula el flujo másico del refrigerante en función de la carga térmica. El

refrigerante que ingresa al evaporador de expansión directa lo hace en estado de mezcla

líquido/vapor, ya que al salir de la válvula se produce una brusca caída de presión producida

por la "expansión directa" del líquido refrigerante, lo que provoca un parcial cambio de

estado del fluido a la entrada del evaporador. A este fenómeno producido en válvulas se le

conoce como flash-gas.