PROYECTO DE REFRIGERACIÓN

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DISEÑO DE UNA CAMARA DE REFRIGERACION PARA LA CONSERVACION DE LECHE

2012

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO [Escriba el nombre de la compañía]

01/01/2012

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

DOCENTE:

Ing. Eli Guayan Huaccha

ALUMNO:

Avila Cortijo Deiby

REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN

IX CICLO



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ÍNDICE

I. INTRODUCCIÓN.

II. GENERALIDADES.

III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y OBJETIVOS.

IV. MARCO TEORICO.

4.1 Antecedentes.

4.2 Definición de leche.

4.3 Composición de la leche.

4.4 Microbiología de la leche

4.5 Propiedades de la leche (análisis organoléptico)

4.6 Propiedades físicas de la leche.

4.7 Tratamientos de la leche.

4.8 Tanque para conservación de la leche.

4.9 Preenfriado de la leche.

4.10 Temperatura de enfriado.

V. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO.

5.1 Sistema de enfriamientos modernos.

5.2 Enfriamiento en banco de hielo.

VI. METODO DE DISEÑO EMPLEADO.

VII. DISEÑO METODOLOGICO

7.1 Dimensiones del tanque.

7.2 Propiedades térmicas de la leche.

7.3 Cálculo del flujo másico.

7.4 Calculo de la carga térmica del sistema de refrigeración.

7.4.1 Carga térmica de la leche.

7.4.2 Carga térmica del tanque.

7.4.2.1 carga térmica del cilindro

7.4.2.2 carga térmica de las tapas

7.5 Coeficiente global total.

7.6 Carga térmica total del cilindro.

7.7 Transferencia de calor por radiación y convección.



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7.8 Carga térmica total que fluye por el entorno.

7.9 Carga térmica total del sistema de refrigeración.

7.10 Diferencia media logarítmica de temperatura.

VIII. SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE

IX. CONSTRUCCION DEL CICLO TERMODINAMICO

9.1 Condiciones de condensación y evaporación.

9.2 Esquema del ciclo termodinámico.

9.3 Calculo de las magnitudes fundamentales del ciclo.

9.3.1 efecto refrigerante

9.3.2 flujo másico del refrigerante.

9.3.3 potencia del compresor.

9.3.4 calor rechazado por el compresor.

9.3.5 coeficiente de funcionamiento.

9.3.6 potencia por tonelada.

X. SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE REFRIGERACION

10.1 Selección del compresor.

10.2 Selección del condensador.

10.3 Selección del dispositivo de expansión.

10.4 Selección del evaporador.

XI. SELECCIÓN DE TUBERIAS

11.1 Datos del proyecto.

11.2 Material utilizado.

11.3 Selección y dimensionamiento de la tubería y accesorios.

11.3.1 Tubería de admisión.

11.3.2 Tubería de descarga.

11.3.3 Tubería de líquido.

11.4 Accesorios.

XII. CONCLUSIONES

XIII. BIBLIOGRAFIA

XIV. ANEXOS



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I. INTRODUCCIÓN:

La refrigeración es un proceso termodinámico, donde se extrae el calor de un cuerpo o

espacio (bajando así su temperatura) y llevarlo a otro lugar donde no es importante su

efecto. Los fluidos utilizados para extraer la energía cinética promedio del espacio o cuerpo

a ser enfriado, son llamados refrigerantes, los cuales tienen la propiedad de evaporarse a

bajas temperaturas y presiones positivas.

Con motivo de aplicación de la refrigeración en los procesos industriales, vamos a ver el

proceso de conservación de la leche fresca. Por eso, es indispensable contar con las

medidas, parámetros y equipos adecuados para su conservación.

La leche fresca se define como el producto integro de la secreción mamaria sin adición ni

saturación alguna y que se ha obtenido del ordeño de las hembras que han parido. La leche

está compuesta por agua, grasa, proteínas, carbohidratos, vitaminas, minerales y enzimas.

El contenido de grasa en la leche varia de 2.5 – 5%, lo cual depende de la raza de vacas

lecheras con las que trabaje el establo. La suma del contenido de grasa, proteínas, lactosa y

de minerales determina el nivel de sólidos totales de la leche.

La concentración de proteínas es muy importante para una buena coagulación de la leche en

la fabricación de quesos y yogurt, el contenido de proteínas en la leche está entre 2.5 –

3.5%; el principal carbohidrato de la leche es la lactosa y su contenido varia de 4.8 – 5.0%.

Si el establo trabaja con vacas Jersey, la leche tendrá 4.9% de grasas, 3.8% de proteínas y

14.17% de sólidos; si se trabaja con ganado Holstein el porcentaje de grasas será de 3.7%,

el de proteínas 3.1% y el de sólidos totales de 12.13%; en el caso de la raza Brown Swiss el

contenido de grasa es de 4.0%, el de proteínas de 3.5% y el de sólidos totales de 13.92%.

Independientemente de la raza de vacas con las que se trabaje, la leche debería venderse

debidamente enfriada y libre de tuberculosis.

II. GENERALIDADES:

Hoy, el Perú tan carente de una dieta adecuada, requiere fomentar y promover su ganadería

nacional, así como el incrementar el consumo de leche de su población y defender la idea

de la necesidad de un mayor consumo de proteínas de origen animal y productos lácteos per

cápita en nuestro país.

En su acepción más general, la leche es un alimento primordial segregado por las glándulas

mamarias de los mamíferos con la finalidad de nutrir las crías en su primera fase de vida.

Con la aparición de la producción láctea, los humanos inventamos un mecanismo inter -



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especies para amamantar a nuestra prole, así se alivió a la mujer de la función biológica a la

que estaba atada, y comienza un ciclo de auto modificación, ajena a la evolución natural, en

la que la cultura moldeará los futuros cambios genéticos de los organismos de su entorno,

como de si mismo. Leches utilizadas en la alimentación desde tiempos ancestrales son las

leches de oveja, cabra y vaca; siendo las de burra, yegua, reno y camello las menos

relevantes. La composición de la leche varía con la especie, raza, tipo de alimentación,

estado sanitario y fisiológico del animal, época del año y el número de ordeños:

COMPOSICIÓN DE LA LECHE SEGÚN LA ESPECIE (en %) ESPECIE GRASA PROTEINAS SÓLIDOS TOTALES

Humana 3.75 1.63 12.57 Vacuna 3.70 3.50 12.80 Búfalo de agua 7.45 3.78 16.77 Cebú 4.97 3.18 13.45 Caprina 4.25 3.52 13.00 Ovina 7.90 5.23 19.29 Asnal 1.10 1.60 9.60 Caballar 1.70 2.10 10.50 Camélida 4.10 3.40 12.80 Reno 12.46 10.30 36.70

Como se aprecia en el cuadro anterior las leches difieren ampliamente en su composición

de acuerdo a especie de la que proviene: la humana es más rica en hidratos de carbono y

más pobre en proteínas; la de oveja, búfalo y rena son las más ricas en energía debido a su

alto contenido de grasas y proteínas. En la actualidad, el hombre utiliza para alimentarse en

gran escala, un sucedáneo de la leche materna de su propia especie, la leche de vaca.

III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y OBJETIVOS:

Elaborar el cálculo energético de una cámara de refrigeración para preservar y mantener

leche fresca hasta antes de su traslado a planta, con una capacidad de 3000 L.

3.1. OBJETIVO GENERAL:

Diseñar y evaluar un equipo de refrigeración de leche cruda para su utilización

en el sitio de producción, ajustado a las condiciones de producción lechera.

3.2. OBJETIVO ESPECIFICO:

Conocer los fundamentos de la teoría de la refrigeración por medio de la

compresión de vapor, los componentes del ciclo de refrigeración y el

funcionamiento básico para poder tener un buen criterio técnico en la selección



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de equipos para el enfriamiento de leche.

Determinar la operabilidad, eficiencia y eficacia del equipo, con el ánimo de

cuantificar y validar su desempeño.

IV. MARCO TEORICO:

4.1. Antecedentes:

La temperatura es un factor importante en el mantenimiento de la calidad de los alimentos,

así como del confort de personas y animales. En este tema nos referiremos a la

conservación de leche en tanques de refrigeración, indicando cuáles son las posibles

ganancias o pérdidas de calor (cargas térmicas) que se producen en las mismas.

La refrigeración como sistema de conservación alimentaria, especialmente de la leche cruda

no es un tema nuevo. La industria láctea tiene definida las condiciones de conservación de

sus materias primas a través de tanques de almacenamientos con doble pared

(enchaquetados), entre las cuales se hace fluir agua con temperatura de entre 2 y 4°C, la

que por transferencia térmica mantiene la leche almacenada en condiciones óptimas de

conservación.

4.2. Definición de la leche:

La leche, es un líquido nutritivo de color blanquecino, producido por las hembras de los

mamíferos. La principal función de la leche es la de alimentar a las crías hasta que sean

capaces de digerir otros alimentos. La leche de los mamíferos domésticos es un alimento

básico para el hombre, así tenemos: de vaca, principalmente, pero también de oveja, cabra,

de yegua, de camella, de dromedaria, etc. La leche es producida por las células

secretoras de las glándulas mamarias o mamas (llamadas "ubres" en los mamíferos

domésticos).

La leche se sintetiza fundamentalmente en la glándula mamaria, pero una gran parte de sus

constituyentes proviene del suero de la sangre. La leche producida durante los primeros

cuatro días después del parto es inadecuada para elaboración de productos lácteos debido a

su diferente composición. Esta clase de leche se llama calostro.

4.3. Composición de la leche:

La leche esta compuesta básicamente por un aproximado de 87.5% de agua y un 12.5% de

solidos, o sea por 100 litros de leche 87.5 litros son de agua y un 12.5 litros son de solidos;

veamos el siguiente cuadro:



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Componente Porcentaje Agua 87.5 Hidratos de carbono (lactosa) 4.6 Materia grasa 3.8 Proteínas 3.3 Vitaminas 0.3 Sales minerales 0.5

Las sales y la lactosa se encuentran disueltas en el agua formando una solución verdadera.

La mayoría de las sustancias proteicas no son solubles y forman conjuntos de varias

moléculas. Sin embargo, estos conjuntos son tan pequeños, que la leche forma una mezcla

muy compleja y de tipo heterogénea, aparentemente con las mismas características. Este

tipo de solución se llama solución coloidal, y se divide en tres fases:

Solución: los minerales así como los hidratos de carbono se encuentran disueltos

en el agua

Suspensión: las sustancias proteicas se encuentran con el agua en suspensión.

Emulsión: la grasa en agua se presenta como emulsión.



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4.4. Microbiología de la leche:

La microbiología está estrechamente relacionada con todos los sectores de la industria

lechera. Los principios microbiológicos son la base de las técnicas de producción higiénica

de la leche, dirigen muchos de los tratamientos para su transformación industrial y son el

fundamento de los métodos de conservación de los productos lácteos. La calidad de la leche

y los productos lácteos depende en gran parte de su microbiología. Un aspecto fundamental

de la calidad de la leche es su flora microbiana.

Desde el punto de vista cuantitativo, se considera que las leches con bajo niveles de

población son de mejor calidad. Además del número, el tipo de microorganismos presentes

en la leche también influye tanto en el aspecto higiénico como en el de la transformación.

La leche, además de tener una composición química adecuada, tiene que ser de buena

calidad higiénica; éste es un aspecto esencial para la salud pública, para la calidad de los

productos lácteos y para que la leche pueda someterse a los distintos tratamientos

tecnológicos.

4.5. Propiedades de la leche (análisis organoléptico):

Aspecto:

La leche fresca es de color blanco aporcelanada, presenta una cierta coloración crema

cuando es muy rica en grasa. La leche descremada o muy pobre en contenido graso

presenta un blanco con ligero tono azulado.

Olor:

Cuando la leche es fresca casi no tiene un olor característico, pero adquiere con mucha

facilidad el aroma de los recipientes en los que se la guarda; una pequeña acidificación ya

le da un olor especial al igual que ciertos contaminantes.

Sabor:

La leche fresca tiene un sabor ligeramente dulce, dado por su contenido de lactosa. Por

contacto, puede adquirir fácilmente el sabor de hierbas.

4.6. Propiedades físicas de la leche:

Densidad:

La densidad de la leche puede fluctuar entre 1.028 a 1.034 g/cm3

a una temperatura de

15ºC; su variación con la temperatura es 0.0002 g/cm3

por cada grado de temperatura.



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La densidad de la leche varía entre los valores dados según sea la

composición de la leche, pues depende de la combinación de densidades de sus

componentes, que son los siguientes:

Componentes Densidad(g/cm3)

Agua 1.000

Grasa 0.931

Proteínas 1.346

Lactosa 1.666

Minerales 5.500

La densidad mencionada (entre 1.028 y 1.034 g/cm3

) es para una leche entera,

pues la leche descremada esta por encima de esos valores (alrededor de 1.036 g/cm3),

mientras que una leche aguada tendrá valores menores de 1.028 g/cm3.

PH de la leche:

La leche es de característica cercana a la neutra. Su pH puede variar entre 6.5 y 6.65 Valores distintos de pH se producen por deficiente estado sanitario de la glándula

mamaria, por la cantidad de CO2 disuelto; por el desarrollo de microorganismos, que

desdoblan o convierten la lactosa en ácido láctico; o por la acción de microorganismos alcalinizantes.

Acidez de la leche:

Una leche fresca posee una acidez de 0.15 a 0.16%. Esta acidez se debe en un 40% a la

neotérica, otro 40% al aporte de la acidez de las sustancias minerales, CO2 disuelto y

acidez orgánicos; el 20% restante se debe a las reacciones secundarias de los fosfatos presentes. Una acidez menor al 15% puede ser debido a la mastitis, al aguado de la leche o bien por

la alteración provocada con algún producto latinizante.

Viscosidad:

La leche natural, fresca, es más viscosa que el agua, tiene valores entre 1.7 a 2.2

centipoise para la leche entera, mientras que una leche descremada tiene una viscosidad de

alrededor de 1.2 cp.

La viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura hasta alrededor de los 70ºC, por

encima de esta temperatura aumenta su valor.



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Punto de congelación:

El valor promedio es de -0.54ºC (varía entre -0.513 y -0.565ºC). Como se precia

es menor a la del agua, y es consecuencia de la presencia de las sales minerales y de la

lactosa.

Punto de ebullición: La temperatura de ebullición es de 100.17ºC.

Calor especifico: La leche completa tiene un valor de 0.93 - 0.94 cal/gºC, la leche descremada 0.94

a 0.96 cal/gºC.

4.7. Tratamientos de la leche:

Después de recibida la leche en la planta industrial, es sometida a una serie de tratamientos

que dependerán del destino final de la misma. Estos tratamientos son:

Enfriamiento.

Higienización.

Homogeneización.

Tratamiento térmico (Pasteurización).

Enfriamiento: La leche, luego de su recepción es enfriada a temperaturas de alrededor de 4ºC y

almacenada a esta temperatura. Este enfriamiento se realiza en un intercambiador de color

de placas (este equipo se describió en el tema de pasteurización), utilizándose agua helada

como fluido enfriador. Antes se usaba un enfriador de superficie (todavía se lo utiliza en

algunas plantas).

4.8. Tanque para la conservación de la leche:

En el marco de la producción lechera, un tanque de leche o enfriador de leche a granel es

una tina de depósito empleada para enfriar y conservar la leche a baja temperatura hasta

que ésta pueda ser retirada por un camión de recolección de leche.

La refrigeración de tanques de enfriamiento y almacenamiento de leche en el campo, es por

su característica considerada como un servicio pesado para el compresor de refrigeración.

Si bien el rango de trabajo de la máquina está dentro del rango llamado de alta temperatura

de evaporación, la ubicación del equipo, la calidad de la instalación del sistema y el trabajo

ininterrumpido a lo largo de todo el año se complementan para crear una serie de riesgos

que no se encuentran frecuentemente en equipos de refrigeración comercial

convencionales.



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4.8.1. Características:

Generalmente fabricado en acero inoxidable y utilizado todos los días para conservar en

buenas condiciones la leche ordeñada; éste debe ser cuidadosamente lavado tras la

recolección. El tanque de leche puede pertenecer al dueño del establecimiento (llamado

también productor lechero) o de la industria láctea (empresa que se ocupa de la recolección

y transformación de la leche).

4.8.2. Tipos de tanques de leche:

El productor tiene la opción entre tanques abiertos (de 150 a 3000 L) y cerrados (de 1000 a

10.000 litros), ya sea de expansión directa o de reserva de agua congelada. El precio puede

variar de mucho, según las normas de fabricación y si el tanque es comprado nuevo o de

segunda mano.

El tipo y la capacidad del tanque dependen de:

la cantidad de animales

la cantidad de nacimientos

de la frecuencia de la recolección de la leche

de la calidad de leche deseada

de la disponibilidad y los costos ligados a la energía y al agua

de las posibilidades de desarrollo de la explotación lechera.

En los sistemas de expansión directa, la leche es enfriada por placas que están en contacto

directo con la tina interior del tanque. Con el sistema de reserva de agua congelada, la leche

es enfriada cuando el agua congelada pasa por la pared interna del tanque. Los silos para

leche (10.000 litros y más) son utilizados por los grandes productores. Están concebidos

para ser instalados en el exterior, cerca del tambo. Todos los sistemas de comando y la

entrada y salida se encuentran en un ambiente cubierto y cerrado.

4.8.3. Descripción de un tanque de leche:

Un tanque de leche o enfriador de leche consiste en una tina interior y otra exterior,

realizadas en acero inoxidable de calidad alimenticia. El tanque de expansión directa,

soldado en el interior, tiene un sistema (evaporador) de placas y tubos en los que circula gas

refrigerante (R22). Ese gas absorbe el calor del líquido contenido en la tina (la leche). Los

tanques de expansión directa se entregan con un compresor y una grilla de condensación en

la que también circula gas refrigerante. El mismo principio que para un

refrigerador/heladera (refrigeración por compresión).

El espacio entre las dos tinas está recubierto de una espuma de poliuretano aislante. En el

caso de tener problemas de electricidad y con una temperatura exterior de 30º, el contenido



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no debería recalentarse a más de 1º por cada 24h. Para permitir un enfriado rápido y

adecuado de la totalidad del contenido de la tina, cada tanque está equipado de al menos un

agitador. La agitación de la leche permite que toda la leche en el interior de la tina quede

homogénea y a la misma temperatura. En lo alto del tanque cerrado hay un visor para su

inspección y para la limpieza manual, si fuera necesario. Este visor está cerrado con una

tapa hermética.

El tanque de leche reposa sobre 2, 4 u 6 patas ajustables. La tina exterior está ligeramente

inclinada para permitir la total evacuación de la leche. En la parte inferior del tanque, hay

una salida de vaciado, generalmente roscada con o sin válvula. Todos los tanques tienen un

termómetro que permite verificar la temperatura del interior del tanque. La mayoría de los

tanques tienen un sistema de lavado automático: se utilizan agua fría y caliente combinada

con productos de limpieza ácidos y básicos. Una bomba y un difusor lavan el interior, lo

que permite conservar ese espacio limpio cada vez que el tanque es vaciado.

Casi todos los tanques disponen de una caja de comandos con un termostato que controla el

proceso de enfriado. La persona responsable puede poner en marcha o detener el tanque,

comandar la agitación de la leche, iniciar el proceso de lavado del interior del tanque y

reiniciar el sistema. Los tanques más recientes y de gran capacidad están equipados con un

sistema de control y alarma. Esos sistemas verifican la temperatura del interior del tanque,

el funcionamiento del agitador, el equipo de frío y la temperatura del agua de lavado. En

caso de mal funcionamiento, se dispara una alarma. Esos sistemas pueden además guardar

en la memoria la temperatura y el mal funcionamiento por un determinado período.



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4.9. Preenfriado de la leche: Por razones de economía de energía y de calidad de leche, lo ideal es preenfriar la leche

desde la salida de la ubre antes que entre al tanque, utilizando tubos de enfriado en los que

circula agua fría proveniente de un pozo o de un reservorio de agua helada. Este sistema

permite enfriar significativamente la leche antes de entrar al tanque.

4.10. Temperatura de enfriado: La temperatura normal de depósito de leche es de 3 o 4 ºC. Para la fabricación de queso de

leche cruda, lo ideal es conservar la leche a 12 ºC de este modo, las características de la

leche estarán mejor preservadas. El tanque de leche casi nunca se llena completamente de

una sola vez. Un tanque equipado para dos ordeñes está concebido para enfriar el 50% de

su capacidad de una sola vez. Un tanque equipado para cuatro ordeñes está concebido para

enfriar el 25% de su capacidad de una sola vez y uno para seis ordeñes, un 16,7% de su

capacidad. La capacidad de enfriado depende de la cantidad de ordeñes necesarios para

llenar el tanque, de la temperatura ambiente y del tiempo de enfriado.

El lavado automático es utilizado en todos los tanques cerrados. Este es activado por el

recolector de la leche, luego del vaciado del tanque. Un lavado en caliente comprende las

siguientes etapas:

Pre-lavado con agua fría

Pre-lavado con agua caliente para calentar las paredes de la tina interior.

Proyección de una solución a base de detergente y agente esterilizante a 50º

C durante diez minutos.

Enjuague con agua fría (en algunos caso, clorada).

Enjuague final con agua potable fría.

Los tanques lavados con ácido deben ser tratados con productos para hacer

desaparecer la piedra de leche.

V. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO:

5.1. Sistemas de enfriamientos modernos:

Los sistemas de enfriamiento modernos transfieren el calor de la leche vía agentes

enfriantes tanto para agua o aire. Esta transferencia se hace vía una pared separada,

entonces nunca hay un contacto directo con la leche. El refrigerante o agente enfriante

absorbe el calor de la leche dentro del evaporador. Cada refrigerante tiene, por una cierta

presión, su punto de ebullición. El rango de enfriamiento depende del diseño del equipo. La

temperatura final depende del termostato o el flujo de la leche a través de las láminas

enfriantes. Grandes diferencias de enfriamiento aumentan el rango de enfriamiento. La alta

velocidad y el movimiento turbulento del líquido a lo largo de la pared mejorarán la tasa de

transferencia del calor.



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Si la leche es enfriada en una manera moderna, se necesita electricidad para generar la

temperatura requerida. La electricidad arranca la unidad de condensamiento, que condensa

el líquido evaporado y hace del proceso un ciclo continuó.

5.1.1. Ciclo de enfriamiento:

El ciclo de enfriamiento puede ser dividido en baja presión y alta presión.

Lado de baja presión:

El evaporador en llenado parcialmente con refrigerante. Cuando el compresor arranca, el

gas es succionado. Debido a esto la presión de crecerá. El líquido comienza a hervir en

cuanto la presión disminuye por debajo de la presión de la temperatura presente. Partes

correspondientes al refrigerante se evaporaran y sacaran el calor que permanezca en medio

enfriante. Esto hace más fría a la parte que queda. Si la temperatura se reduce por debajo de

la temperatura de la leche, el calor fluirá de la leche al refrigerante hirviente. Este calor

provoca la evaporación de una parte del refrigerante. La temperatura permanecerá constante

una vez que la cantidad de calor, que es transportada por el compresor, está balanceada con

la cantidad de calor de la leche.

Lado de alta presión

El lado de alta presión del compresor está conectado el condensador. El propósito del

condensador es remover el calor condensado en el área de alrededor. El compresor bombea

el gas dentro del condensador. Mientras la presión se mantenga por debajo de la presión

correspondiente a la temperatura de condensación, solo la presión se levantará. Apenas la

presión se levanta por encima de la presión correspondiente a la temperatura de

condensación, una transferencia de calor comenzará desde el gas al área circundante.

Primero "el súper calor" se quita. El súper calor es la diferencia de temperatura entre el gas

calentado por sobre el punto de ebullición y el punto de ebullición. La condensación

comenzará después de esto. Para condensar con una cierta capacidad, se necesita una

diferencia de temperatura particular. La presión será constante apenas la diferencia de

temperatura sea suficientemente grande para condensar todo el gas bombeado por el

compresor.

Para hacer continuo a este proceso, el líquido en el condensador debe ser debe ser

alimentado en el evaporador. Como la presión en el condensador siempre es más alta que

en el evaporador, esto puede ser fácilmente hecho mediante la instalación de un tubo

conector del condensador al evaporador. Si una válvula es montada en este tubo, la cantidad

de refrigerante puede ser ajustada. Normalmente esta válvula es automática, y es llamada la

válvula de expansión termostática. Esta válvula mide la presión del evaporador y a

temperatura del tubo de succión. La válvula se abre más o menos de acuerdo al súper calor.



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Índice de la figura:

1. Compresor: Una bomba de gas crea presión en el evaporador (baja temperatura) y

alta presión en el condensador (alta temperatura).

2. Presóstato: Usado principalmente para proteger la parte de condensación de la

instalación. Si la presión llega muy alta, el presóstato lo regulara. También se usa

como protector contra la baja presión causada por el goteo del refrigerante como un



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interruptor para parar el compresor al final del ciclo de vaciado.

3. Condensador: Esa la parte en donde se condensa el refrigerante. El calor del gas

es liberado en el aire y luego el gas se convierte en líquido.

4. Recibidor líquido: Hecho para ser el lugar de almacenamiento del refrigerante. Si

la instalación esta en operación, el recibidor esta casi vacío. Si la instalación para y

el sistema de vaciado esta instalado, el refrigerante se almacena en el recibidor.

5. Filtro/secado: El filtro es usado para sacar todas las partes solidas del líquido. El

secador es usado para sacar la humedad en una pequeña cantidad en el refrigerante.

6. Válvula solenoide: En instalaciones con sistema de bombas, esta válvula para

flujo del líquido del evaporador.

7. Visor: Aporta la posibilidad de revisar si hay suficiente refrigerante en la

instalación.

8. VET: Aporta la misma cantidad de refrigerante, en forma liquida, de vuelta al

evaporador mientras el compresor saca el gas.

9. Evaporador: Parte en donde el refrigerante se evapora y consecuentemente le saca

el calor a la leche.

10. Termostato: Controla la temperatura de la leche enfriada, prendiendo o apagando

al compresor dependiendo de la temperatura.

5.2. Enfriamiento en banco de hielo:

En sistemas de enfriamiento indirecto el evaporador está situado en una reserva rellena con

el conductor de calor, en su mayor parte agua. El evaporador consiste en un sistema de

tuberías o bobinas en el cual el refrigerante se evapora y enfría el conductor de calor.



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La gran ventaja del sistema del sistema de banco de hielo es que permite que la capacidad

de enfriamiento se almacene en una reserva aislada con un conductor de calor y un

"amortiguador de frío" o "amortiguador de hielo". En áreas donde no hay energía

suficiente, el sistema del banco de hielo es una solución de enfriamiento eficaz. La

formación de hielo alrededor de las tuberías forma una amortización de frío que se puede

usar para enfriar la leche. El amortizador de frío hace posible enfriar en áreas en donde la

energía es más cara, o en donde el uso de la electricidad es limitado y significa que el

sistema de enfriamiento puede apagarse para evitar la saturación de energía durante el

ordeño.

VI. METODO DE DISEÑO EMPLEADO:

6.1. Enfriamiento de expansión directa:

Este es el sistema de enfriamiento de leche más común. La base del tanque ha sido

designada como un evaporador, mientras que el calor de la leche va a través de la pared de

acero inoxidable al refrigerante. El refrigerante se evapora, quitándole el calor a la leche.

Dado que los tanques de expansión directa no tienen un amortiguador del frío, siempre

tiene que haber disponible energía. En este tipo de sistema, la leche se enfría directamente y

se agita después de llegar al tanque.

La refrigeración y el almacenamiento de la leche también influyen en la calidad.

Se han establecido varias disposiciones sobre refrigeración y almacenamiento de la leche

para proteger la calidad y reducir el desarrollo de bacterias durante el proceso de

almacenamiento.

La leche a temperatura corporal, no refrigerada, es ideal para favorecer el desarrollo de

bacterias. Cuanto más rápido se enfríe la leche (menos de 40 ºF o -4,44 ºC), tendrá más

posibilidades de reducir el recuento de bacterias.



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6.1.1. Refrigeración por compresión mecánica:

En la actualidad el frío se produce principalmente mediante sistemas de refrigeración por

compresión mecánica, de forma que el calor se transmite desde la cámara de refrigeración

hasta una zona en la que pueda eliminarse más fácilmente. La transferencia de calor se

realiza mediante un fluido

“refrigerante” que cambia de estado, de líquido a vapor, a una temperatura de ebullición

muy baja y con una entalpía o calor latente de vaporización alto. Una vez que el

refrigerante está en estado de vapor se comprime mecánicamente (aumentando su presión)

de forma que vuelve al estado líquido y vuelve a utilizarse cíclicamente. Se establece así un

ciclo termodinámico cuyo límite teórico sería el ciclo de Carnot. El sistema de refrigeración

se denomina entonces como sistema de compresión de vapor.

VII. DISEÑO METODOLOGICO:

7.1. Dimensiones del tanque:

Material: acero inoxidable de y

Aislante: Poliuretano de y

Tanque: Consiste en dos cilindros concéntricos con sus respectivas tapas, y entre ellos se

colocara el aislante:

Tanque interno: diámetro interno es y su longitud es

Cuyo volumen será:

(

)

7.2. Propiedades térmicas de la leche:

Las propiedades de la leche se toman a , las cuales son:



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Otros datos:

7.3. Calculo del flujo másico:

7.4. Calculo de la carga térmica del sistema de refrigeración:

7.4.1. Carga térmica de la leche:

La conservación de la leche se realiza a temperatura > 32°K ó > 0°C, por tanto no existe

cambio de fase. Al no existir cambio de fase, el cálculo de carga térmica de la leche es:

Para la selección final de los equipos se aplica un margen de seguridad de 10%, del calor

total a extraer es:

7.4.2. Carga térmica del tanque:

7.4.2.1. Carga térmica en el cilindro:

Además de la Carga Térmica de la leche, se tiene perdidas por el cilindro y por las tapas,

las cuales se calculan a continuación:



20

Donde:

El coeficiente de convección externo del aire se elije del siguiente rango:

Para nuestro caso elijamos:

Hallando el coeficiente de convección interno:

Para tanques agitados mediante aspas de las siguientes dimensiones: y

gira a



21

Velocidad media:

Numero de Reynolds:

Donde:

Remplazando datos:

Numero de Prandt:

Numero de Nusselt:

Donde para la leche: tenemos;

Entonces:

Coeficiente de convección:

Calculo del área interna y externa del cilindro:



22

Calculo de las resistencias térmicas:

La resistencia térmica total será:

∑

Coeficiente global del cilindro:

Calculo de la carga térmica:



23

7.4.2.2. Carga térmica en las tapas:

Área de las tapas:

Calculo de las resistencias térmicas:

La resistencia térmica total será:

∑



24

Coeficiente global del cilindro:

Calculo de la carga térmica:

7.5. Coeficiente global total:

7.6. Carga térmica total del cilindro:

7.7. Transferencia de calor por radiación y convección:

Además del calor por cargas continuas del tanque y por carga térmica por producto, se

puede determinar la Transferencia de calor por Radiación y Convección.

Calor que entra al Tanque por convección y radiación se obtiene según las Ecuaciones.



25

Razón de radiación:

(

)

( )

(

)

( )

Área del tanque:

7.8. Carga térmica total que fluye del entorno:

7.9. Carga térmica total del sistema:

En toneladas, seria:



26

7.10. Diferencia media logarítmica te temperatura:

Donde:

Entonces

VIII. SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE:

Elegiremos el refrigerante R-22 (CHCLF2) tiene un punto de ebullición a la temperatura

atmosférica de -41.4°F (-40.8°C). Originalmente fue desarrollado como refrigerante para

baja temperatura. Se le ha usado extensamente en congeladores domésticos y de granjas y

en sistemas comerciales e industriales de temperatura baja, las temperaturas en el

evaporador son tan bajas como -125°F (-87°C). Perteneciente al grupo de los HCFC,

aunque ahora se está tratando de disminuir su empleo.



27

CARACTERISTICAS:

o Refrigerante :

o Nombre :

o Fórmula Química :

o Grupo de Refrig. :

o Peso Molecular :

o Punto de Ebullición :

IX. CONSTRUCCIÓN DEL CICLO TERMODINAMICO DE REFRIGERACION:

9.1. Condiciones de condensación y evaporación:

9.1.1. Condiciones de evaporación:

Entonces

Para una temperatura de evaporación de , se tiene una presión de evaporación de:

9.1.2. Condiciones de condensación:

Elegimos una relación de compresión de

Para esta presión de condensación le corresponde una temperatura de condensación de:



28

9.2. Esquema del ciclo termodinámico:

9.3. Calculo de las magnitudes fundamentales del ciclo:



29

Punto 1:

Punto 2:

Por interpolación grafica como se muestra en la grafica 3.2: Diagrama p-h del R22

Por interpolación de la tabla 2.7: Entalpía del líquido subenfriado y el vapor

sobrecalentado para el R22

P(KPa) h(KJ/Kg) a 50°C h(KJ/Kg) a 60°C

1192 431.6 439.8

1307.52 429.7573 438.17

1355 429 437.5

h(KJ/Kg) T(°C)

429.7573 50

435 56.2319

438.17 60

Por lo tanto:

Punto 2´:



30

Punto 3:

Punto 4:

9.3.1. Efecto refrigerante:

9.3.2. Flujo másico del refrigerante:

9.3.3. Potencia del compresor:

Potencia teórica:

Potencia Real:

Para la potencia del compresor, tomar en cuenta un factor de seguridad del 20%:



31

9.3.4. Calor rechazado por el condensador:

9.3.5. Coeficiente de funcionamiento:

9.3.6. Potencia por tonelada:

X. SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE REFRIGERACION:

10.1. Selección del compresor:

Se va a emplear un compresor alternativo (reciprocante), ya que según recomendaciones

bibliográficas es utilizado para refrigerar menos de 50 Ton, por lo tanto nuestra cantidad en masa a

refrigerar está dentro del rango recomendado.

Datos:

Carga frigorífica :

Potencia :

Temperatura de evaporación :



32

Con los datos anteriores, se selecciona el compresor en el Catálogo Danfoss:

Marca : Modelo :

Capacidad :

Tipo :

10.2. Selección del condensador:

Elegimos un Condensador enfriado por aire de tiro forzado con ventilador.

10.2.1. Calculo de la capacidad del condensador

Dónde:

: Capacidad del Compresor.

FDT : Factor de Diferencia de temperatura.

FRC : Factor de Rechazo de Calor.

FCH : Factor de corrección de altura.



33

Utilizando como referencia las tablas del libro Dossat:

Para las condiciones de y la y usando la tabla 4-1A,

tenemos:

Para una diferencia de temperatura en el Condensador (DT) hallamos el FDT.

Entonces tenemos que el

Para una altura promedio de 20m = 65.6168 pies (Para Trujillo) hallamos FCH.

Por lo tanto:

Pero:

Entonces:

Según la Tabla R-14A obtenemos:

Tamaño de la unidad :

Capacidad total :

N° circuitos disponibles :

Capacidad por circuito :

10.3. Selección del dispositivo de expansión:

Para poder seleccionar la válvula adecuada se tienen que considerar los siguientes datos:

Temperatura evaporación :

Carga frigorífica :

Diferencia de presiones :



34

Utilizando la tabla R-21 de Dossat:

Tipo :

Temperatura evaporador :


Tonelada de refrigeración :

10.4. Selección del evaporador:

Se utilizará un evaporador de serpentín de tubo aleteado por convección forzada

(ventilador) con el criterio de que ocupa menor espacio en comparación con el evaporador

por convección natural y también porque las aletas incrementan el proceso de transferencia

de calor.

El flujo de calor que debe ser absorbido en el evaporador es de:

Y para el motor es de:

Por lo tanto la carga de enfriamiento total se obtiene:



35

Modelo :

Capacidad :

Superficie :

Caudal de aire :

Dardo de aire :

N° de ventiladores :

XI. SELECCIÓN DE TUBERIAS:

11.1. Datos del proyecto:

Capacidad frigorífica :

Cantidad de producto :

Temperatura de evaporación :

Temperatura de condensación :

Presión de evaporación :

Presión de condensación :




36

11.2. Material utilizado:

El tipo de material empleado en tuberías para refrigeración depende del tamaño y

naturaleza de la instalación, del refrigerante utilizado, del costo de los materiales y de la

mano de obra, se va a utilizar tuberías de cobre, puesto que tiene la ventaja de ser de peso

liviano, tiene mayor resistencia a la corrosión y es más fácil de instalar que otros materiales

(hierro dulce y acero).

Los diámetros de tubo que se emplean en refrigeración son:

Denominación del tubo ¼” 3/8” ½” 5/8” ¾” 7/8” 1” 1 1/8” 1 3/8” 1 5/8” Diámetro nominal (mm) 1/8” 1/4” 3/8” 1/2” 5/8” ¾” 7/8” 1” 1 ¼” 1 ½” Diámetro exterior (mm) 6.35 9.52 12.7 15.87 19.05 22.22 25.4 28.57 34.92 41.28 Espesor (mm) 1 1 1 1 1.05 1.14 1.2 1.27 1.4 1.52 Peso por metro (Kg) 0.151 0.241 0.331 0.419 0.512 0.594 0.689 0.975 1.315 1.696 Sección interior (cm2) 0.166 0.465 0.933 1.561 2.29 3.122 4.16 5.32 8.107 11.4

Características generales de los tubos de cobre:

PROPIEDADES ESTIRADO RECOCIDO

Peso especifico (kg/dm³) 8.9 8.9

Temperatura de fusión (°C) 1083 1083

Calor especifico 0.092 0.092

Temperatura de recocido (°C) - 500

Temperatura de forja (°C) 750-900 750-900

Alargamiento (%) 3 a 5 28 a 30

11.3. Selección y dimensionamiento de la tubería y accesorios:

La tubería del refrigerante debe ser diseñada de tal forma que cumpla con los siguientes

requisitos:

Asegurar un suministro de refrigerante adecuado para el evaporador.

Asegurar un regreso positivo y continuo de aceite al cárter del compresor.

Evitar la entrada de refrigerante líquido al compresor, etc.

11.3.1. Tubería de admisión:

De la tabla 19.3 de Dossat: para la el tubo de diámetro ⁄ tiene

de capacidad por tubería y un

Longitud equivalente de la tubería:

Donde:

: longitud de accesorios ( )



37

Para la el factor de corrección es , por lo tanto, el tonelaje

corregido será:

Del grafico de la pag.283 Dossat, tenemos que la pérdida de temperatura equivalente será:

11.3.2. Tubería de descarga:

De la tabla 19.3 de Dossat: para la el tubo de diámetro ⁄ tiene

de capacidad por tubería y un

Longitud equivalente de la tubería:

Donde:

: longitud de accesorios ( )

Para la el factor de corrección es , por lo tanto, el tonelaje

corregido será:

Del grafico de la pag.283 Dossat, tenemos que la pérdida de temperatura equivalente será:



38

11.3.3. Tubería de liquido:

De la tabla 19.3 de Dossat: el tubo de cobre de ⁄ tiene una capacidad de ,

basado en una caída de presión de por de tubo equivalente.

Para pies de longitud equivalente, la perdida de fricción en el tubo es:

Para la , encontramos la densidad del líquido que es:

(

)

(

) (

)

(

)

La presión en el condensador es , y la

diferencia de presiones a través de la válvula ha sido calculada y es:

Por lo tanto:

Esta es la longitud equivalente de la tubería del liquido incluyendo dispositivos y

accesorios.



39

11.4. Accesorios:

Presostato de baja:

El presostato de baja es el responsable de parar el compresor antes de que éste llegue hacer

el vacío en la instalación.

Presostato de alta:

El presostato de alta es un elemento de seguridad que tiene la función de parar la

instalación cuando la presión de ésta es excesiva.

Presostato de condensación:

Este presostato se emplea para mantener una presión de alta constante durante todo el año

mediante los ventiladores.

Separador de partículas:

El separador de partículas se encuentra al final del evaporador en instalaciones de baja

temperatura y que están alimentados por tubo capilar.

Separador de aceite:

El separador de aceite se emplea para recuperar la mayor cantidad de aceite posible para

llevarlo al compresor que es donde es realmente útil.

Válvula solenoide:

Detiene la circulación del refrigerante cuando el compresor se para, con el objeto de evitar

la excesiva inundación de los serpentines del evaporador, que puede ocasionar un retorno

del refrigerante líquido al compresor en el arranque. La válvula de solenoide está conectada

eléctricamente al circuito de control de arranque del motor del compresor, de modo que la

válvula sea excitada para permanecer abierta cuando el compresor se encuentra en

operación normal.

Filtro deshidratador:

La cantidad de humedad que puede haber en la instalación depende del tipo de refrigerante

y de la temperatura de evaporación.

La cantidad máxima de humedad que son capaces de absorber los refrigerantes viene dada

en "partes por millón" (ppm).

Para detectar la humedad se coloca un detector de humedad, el cual lleva un visor formado

por sal de cobalto que es una substancia que tiene la particularidad que cambia de color al

absorber humedad. A parte el visor nos permite ver la carga de refrigerante de la

instalación.



40

Válvula de expansión termostática

Se utiliza una válvula de expansión termostática para poder regular el paso del refrigerante

y poder balancear el flujo de este de acuerdo a las condiciones de operación el compresor y

el evaporador.

Filtro de líquido.

Elimina materias extrañas introducidas en el sistema de refrigeración antes de que el

líquido ingrese en la válvula de solenoide o de expansión.

Filtro de la línea de aspiración: Protege las partes móviles del compresor de suciedad,

incrustaciones, limaduras, etc., que pueden haberse introducido en el sistema durante las

operaciones de montaje o reparación.

Válvula de seguridad.

Del tipo resorte, va instalado en la línea de descarga del compresor y la válvula de paso,

para proteger el lado de alta del sistema contra presiones excesivas. La descarga de la

válvula de seguridad se comunica con la línea de succión del compresor y en el caso de que

la presión de descarga adquiera un valor excesivo, la válvula de seguridad se abre y deriva

la descarga del gas del lado de baja.

Manómetros y termómetros.

También es usual la implementación de termómetros y manómetro entre al válvula de paso

de la línea de succión y el compresor, es de gran utilidad para poder monitorear las

condiciones de succión en que se encuentra trabajando el compresor. Además a veces se

utiliza un presostato cuyo objetivo es proteger al compresor.

XII. CONCLUSIONES:

Se cumplió con el objetivo tratado, de diseñar una cámara de refrigeración

para mantener, preservar y conservar leche fresca antes de ser trasladado

hacia la planta.

Se adquirió un conocimiento mas profundo sobre los principios de diseño de

cámaras de refrigeración mediante la búsqueda de información necesaria

para este proyecto.

La carga térmica de refrigeración de la camara es de

, usando como refrigerante y contando con

las siguientes características:



41

o

o

o

o

Notamos que las presiones obtenidas son superiores a la presión atmosférica,

esto para evitar que el aire entre en el sistema en caso de fugas. Por lo tanto

cumple el criterio esencial para la selección del refrigerante, el cual nos dice

que las presiones de ebullición y condensación deben ser preferentemente

superiores a la atmosférica.

Es posible mantener refrigerado un producto alimenticio en buen estado (en

este caso carne de pollo) siempre y cuando se tomen en cuenta parámetros de

diseño y funcionamiento adecuados para la cámara de refrigeración así como

también las características del producto a refrigerar.

XIII. BIBLIOGRAFIA:

W.F. Stoecker – “Refrigeración y Acondicionamiento de Aire·” 1era

Ed. Mc Graw

Hill Book, México 1978. Tabla A-4, y plano P-h del R-22

DOSSAT, Roy J. “Principios de Refrigeración” .Editorial Continental. 3era

Edición,

15ava

Reimpresión. México.1980. Págs. 187-225 y 559-584.

Catalogo Intercal.

Tablas de la compañía DANFOSS WLaneurop.

XIV. ANEXOS:

Tablas, catalogos, pdfs; están en la carpeta de archivos



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