Trabajo Final de Refrigeracion Industrial - Calculo de Cargas Termicas y Seleccion de Equipos Para...

TRABAJO DE:

REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL

INTEGRANTES:

PAOLO ANDRES CUELLO PEÑALOZA

JESÚS ALBERTO FONTALVO GOMEZ

HOOVER VALENCIA ZAPATA

PRESENTADO A:

GIOVANNY BARLETTA

VIII SEMESTRE

INGENIERÍA QUÍMICA

UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO

2012

Tabla de Contenido

Pagina

1. Cálculo de cargas térmicas 32. Selección de los compresores por cuarto 153. Selección de las unidades evaporadoras por cuarto 164. Selección de tuberías para las líneas de succión y descarga 175. Selección de la válvula de expansión 196. Selección de las válvulas solenoides 217. Selección de los filtros deshidratadores de la línea de líquido 228. Selección de las mirillas indicadoras de nivel de líquido 239. Selección del acumulador de succión (Opcional) 2410. Selección de la válvula de bola 2611. Selección de los separadores de aceite 2712. Referencias 28

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TRABAJO FINAL DE REFRIGERACIÓN INDUSTRIALCÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS Y SELECCIÓN DE EQUIPOS

Se desean seleccionar los siguientes equipos para los cuartos mostrados en la ilustración P:

Compresor Unidad evaporadora Válvula de expansión Filtro de la línea de líquido Válvula solenoide Mirilla indicadora de nivel de líquido Válvula de bola Separador de aceite Acumulador de succión (opcional)

Adicionalmente deberán seleccionarse los diámetros y longitudes de las líneas de succión, líquido y descarga, así como también se debe calcular la carga térmica total a retirar del sistema completo.

DATOS

Las paredes están aisladas en poliuretano de 4 pulgadas y forradas en lamina galvanizada de calibre 24 (solo se considera el poliuretano en los cálculos). Considere temperaturas exteriores en la bodega de 95°F y 85% de humedad relativa donde están ubicadas las cámaras.

La altura de la cámara interiormente es de 3.20 metros.

Considere una puerta de las mismas especificaciones que los paneles. La puerta de acceso del cuarto colinda con un cuarto de proceso acondicionada para minimizar las ganancias de calor a las cámaras y considere aire acondicionado de confort (75°F y 55% HR).

La temperatura de los productos a refrigerar se considera 10°C mayor a la temperatura de cámara al entrar a esta. Se considera que las cámaras reciben 1600 Libras de producto combinado en cada una.

Una persona ingresa dos veces por día a la cámara.

Dos lámparas de 100W c/u iluminan el recinto.

Los motores de los evaporadores se estiman en 4 x ½ HP c/u.

Los cuartos se leen de 1 a 5 de izquierda a derecha (abajo a arriba en la posición de la imagen), el primer cuarto contiene pescados y mariscos, el segundo cuarto contiene carne y aves, el tercero contiene productos varios (misceláneos, se considera la masa de panes ya que es lo que proporciona el programa Calc Rite), los productos en estos cuartos se quieren enfriar hasta -18°C. El cuarto 4 contiene frutas y verduras (las propiedades se toman en base a algunas frutas y a verduras varias) y se quiere enfriar hasta 5 – 6°C, el cuarto 5 contiene lácteos y se quiere enfriar de 0 – 4°C, ambos cuartos tienen 75% HR.

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Ilustración P. Cuartos a refrigerar, las unidades de las dimensiones mostradas son metros. Consultar los pantallazos para el cálculo de cargas de los productos acerca de los datos de temperaturas manejadas.

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1. Cálculo de cargas térmicas

Con la ayuda del software Calc Rite de KeePrite, se logró realizar de forma practica cada uno de los cálculos que involucran las diversas cargas térmicas en cada cuarto de refrigeración que se presentó como ejercicio en el examen parcial planteado, estas cargas se manifiestan por paredes, por producto (alimentos y demás) y por accesorios como lo son los motores de los evaporadores y la iluminación, y en las infiltraciones relacionadas con las cantidades de aire que atraviesan las puertas debido al ingreso de las personas a los cuartos de refrigeración principalmente. A continuación se presentan cada una de las capturas tomadas para los cálculos realizados con ayuda del programa utilizado. En total son 5 cuartos los cuales cada uno posee las dimensiones descritas en el problema necesarias para realizar los respectivos cálculos, los datos obtenidos son los siguientes:

Cuarto 1

5

Ilustración 1. Cargas debido a trabajo

Ilustración 2. Cargas debido a paredes

Ilustración 3. Carga debido a la infiltración

Ilustración 4. Carga debido al producto

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Ilustración 5. Carga debido a misceláneo

Cuarto 2

Ilustración 6. Carga horaria del cuarto

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Ilustración 7. Cargas por pared

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Ilustración 8. Cargas por infiltración

Ilustración 9. Cargas por producto

Ilustración 10. Cargas por misceláneos

9

Cuarto 3


Ilustración 12. Carga por paredes

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Ilustración 13. Cargas por infiltración

Ilustración 14. Cargas por producto

11

Ilustración 15. Cargas por misceláneos

Cuarto 4


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Ilustración 18. Carga por producto

13

Ilustración 19. Carga por infiltración

Ilustración 20. Carga por misceláneos.

14

Cuarto 5



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Ilustración 22. Carga por infiltración

Ilustración 23. Carga por producto

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A continuación se muestra la sumatoria de cargas térmicas totales, es decir, cada carga térmica correspondiente a cada uno de los cuartos que intervienen en el proceso, estos valores que se encuentran en la suma total de los valores obtenidos para las diversas cargas en cada cuarto, utilizados principalmente para la selección del compresor del sistema; los valores son los mostrados a continuación:

Qtotal=Q1+Q2+Q3+Q4+Q 5(1)

Cargas térmicas totales por cuarto

Cuarto 1: 50,157 BTU/hr





Remplazando en la ecuación (1) se obtiene:

Qtotal=(50,157+46,812+46,058+26,906+31,663 )BTU /h

Qtotal=201,596 BTU /h

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Ilustración 24. Carga por misceláneos

2. Selección de los compresores por cuarto

Cuarto 1

Compresor modelo ZF48K4E-TWC

Capacidad del evaporador: 52,500 BTU/hr

Capacidad del compresor: 52,500 BTU/hr

El resto de datos y parámetros se puede consultar en la ficha de desempeño adjuntada.

Cuarto 2

Compresor modelo 3DRHF46KE-TFC




Cuarto 3

Compresor modelo 3DRHF46KE-TFC




Cuarto 4

Compresor modelo ZS29KAE-TF5




Cuarto 5

Compresor modelo ZS33KAE-TF5

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3. Selección de las unidades evaporadoras por cuarto

Las unidades evaporadoras se escogen de acuerdo a la carga térmica del cuarto correspondiente, la capacidad de esta tiene que ser igual o mayor a la carga correspondiente, las unidades se escogieron del catalogo BOHN para evaporadores, de los modelos BME/BML de descongelamiento eléctrico con frecuencia de 60 Hz:

Ilustración 25. Catalogo para la selección de evaporador [1]

Cuarto 1: BME 520 – 52,000 BTU/hr Cuarto 2: BME 520 – 52,000 BTU/hr Cuarto 3: BME 520 – 52,000 BTU/hr Cuarto 4: BME 310 – 31,000 BTU/hr Cuarto 5: BME 390 – 39,000 BTU/hr

4. Selección de tuberías para las líneas de succión y descarga de gas y para la línea líquida

Las tuberías se escogen teniendo en cuenta principalmente las temperaturas de evaporación, condensación y la tasa de enfriamiento dada por el evaporador seleccionado del catalogo BOHN, las dimensiones de las tuberías de la línea de succión (suction), línea

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líquida (liquid) y la línea de descarga (discharge) se muestran en las siguientes imágenes tomadas del programa LineSize para el cálculo de tuberías:

Cuartos 1, 2 y 3

Cuarto 4

Cuarto 5

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5. Selección de la válvula de expansión

La válvula de expansión se escogerá de acuerdo a la capacidad del sistema, con respecto a la carga térmica sobre el evaporador, dicha válvula debe escogerse para una capacidad igual o menor a la calculada, para evitar un flujo excesivo de refrigerante líquido hacia el evaporador y una posible inundación.

Suponiendo una caída de presión de 1 psi a través del orificio de la válvula se tendrá que la caída de presión a través de la válvula de expansión será:

∆ Pvalvula=Pcondensación−∆ Porificio−Pevaporación(2)

Para el refrigerante 404A en los cuartos 1, 2 y 3 se tiene:P condensación = 309.9 psigP evaporación = 23 psig

Remplazando en la ecuación (2)

∆ Pvalvula= (309.9−1−23 ) psig=285.9 psig

Es el único refrigerante que tiene aplicaciones a todas las temperaturas. Super Heat de 20.

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Tomando el catalogo de Emerson Climate para válvulas de expansión tipo ton, se escoge una válvula TCLE de capacidad nominal de 3 toneladas, que a 200 psi de caída de presión (máxima caída presentada en el catalogo) y temperatura de evaporación de -20°F permite una capacidad de 3.02 toneladas de refrigeración, inferior a la calculada que es de 4.33 toneladas (52000BTUh-1/12000).

Ilustración 26. Catalogo de Válvula [2]

En el cuarto 4 se tiene:

P condensación = 309.9 psigP evaporación = 70.9 psig

Utilizando la ecuación (2):

∆ Pvalvula= (309.9−1−70.9 ) psig=238 psig

Para 2.583 toneladas de refrigeración a una caída de presión de 175 psig y temperatura de evaporación de 40°F se pueden seleccionar las válvulas de tipo AA/AN/AAC/ANC/AFA con capacidad nominal de 1-1/4 toneladas, la cual cuenta con una capacidad de 1.88 toneladas, menor a la calculada.

En el cuarto 5 se tiene:

P condensación = 309.9 psig

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P evaporación = 58 psig

∆ Pvalvula= (309.9−1−58 ) psig=250.9 psig

Para 3.25 toneladas de refrigeración a una caída de presión de 175 psi y a una temperatura de evaporación de 20°F se pueden seleccionar las válvulas de tipo AA/AN/AAC/ANC/AFA con capacidad nominal de 2-1/4 toneladas, que trabaja con 3.07 toneladas inferior a la requerida.

Ilustración 27. Selección de la válvula [2]

6. Selección de las válvulas solenoides

Cuartos 1, 2 y 3

Consultando el catalogo Emerson Climate para válvulas solenoides, se encuentra que a una caída de presión de 100 psi (máxima diferencia de presión disponible) para una válvula de gas de descarga los modelos 200RB/200RD 4 son los adecuados para esta aplicación, ya que manejan 6.45 toneladas, un valor mayor al requerido.

Para la válvula solenoide de la línea de líquido se asume una caída de presión de 2 psi o menor a través de la válvula considerando una temperatura de condensación de 120°Fpara la cual la válvula apropiada corresponde a los modelos 200RB/200RD 5, que manejan 4.33 toneladas, justo el valor requerido.

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Cuarto 4

Para la línea de gas de descarga del compresor una válvula de los modelos 200RB/200RD 3 de 3.15 toneladas (100 psi) es mas que suficiente para la aplicación. Para la línea de líquido una válvula 200RB/200RD 4 de 4.18 toneladas (2 psi) es la apropiada para el sistema de la habitación.

Cuarto 5

Para la línea de gas de descarga del compresor una válvula de los modelos 200RB/200RD 4 de 6.45 toneladas (100 psi) es mas que suficiente para la aplicación. Para la línea de líquido una válvula 200RB/200RD 4 de 4.18 toneladas (2 psi) es la apropiada para el sistema de la habitación.

Ilustración 28. Catalogo Válvula Solenoide [3]

7. Selección de los filtros deshidratadores de la línea de líquido

Cuartos 1, 2 y 3

Para estos cuartos el filtro indicado es el EK 08 4, que puede manejar 4.9 toneladas, este filtro tiene conexiones entrada/salida de 1/2 SAE.

Cuarto 4

Para este cuarto el filtro indicado es el EK 08 3, que puede manejar 2.9 toneladas, este filtro tiene conexiones entrada/salida de 3/8 SAE.

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Cuarto 5

Para este cuarto el filtro indicado es el modelo EK 08 3 S que maneja 3.3 toneladas de refrigeración, este filtro tiene conexiones entrada/salida 3/8 ODF.

Ilustración 29. Catalogo Filtros deshidratadores [4]

8. Selección de las mirillas indicadoras de nivel de líquido

El indicador apropiado para una línea de líquido dada será el que se ajuste al diámetro de la tubería de esta línea.

Cuartos 1,2 y 3

Para una línea de líquido con tuberías de 5/8 pulgadas se escoge el modelo HMI-1MM5, también es posible escoger el modelo HMI-1TT5, todo depende del tipo de conexión que se establezca con la tubería.

Cuartos 4 y 5

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Para una línea de líquido con tuberías de 1/2 pulgadas se escoge el modelo HMI-1MM4, también es posible escoger los modelos HMI-1TT4 y HMI-1FM4 de acuerdo al tipo de tubería y a la conexión a esta.

Ilustración 30. Catalogo Mirilla [5]

9. Selección del acumulador de succión (Opcional)

Los acumuladores de succión se seleccionan de acuerdo a la carga total del sistema, deben ser capaces de recibir la carga máxima posible hacia el compresor que pueda darse en un sistema en un solo ciclo, se asume que esta es más o menos el 50% de la carga total disponible. Sin embargo la determinación de la carga de refrigerante se hace de manera empírica por medio de varias pruebas con un tubo capilar y diferentes cargas estimadas de acuerdo a la carga ideal, por lo cual se seleccionará el acumulador por medio del flujo de refrigerante y el tiempo que demora en recorrer este las tuberías, obteniéndose de manera aproximada la masa total de refrigerante en el sistema.

Cuartos 1 y 2

Para un flujo másico de refrigerante de 1390 Lb/h, teniendo en cuenta que el refrigerante recorre la línea de succión de 65.617 pies de largo a una velocidad de 2338 fpm, la línea de descarga de 16.404 pies a 2192 fpm y la de líquido de 65.617 pies a 235 fpm, y asumiendo que el tiempo que se demora la masa de refrigerante en recorrer el sistema transcurre en su mayoría en el paso por las tuberías, se calcula la masa aproximada de refrigerante a la entrada del compresor de este modo:

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mrefrigerante=1390

Lbh

∗1Kg

2.2 Lb∗1h

60min∗(65.617 pies∗1min2338 pies

+16.404pies∗1min2192 pies

+65.617pies∗1min235 pies )=3.31Kg

El acumulador a escoger deberá soportar al menos la mitad de esta masa, es decir 1.655 Kg (La masa real debe ser mayor ya que no se tomó en cuenta el tiempo de paso por los equipos), de modo que se escoge el modelo AS-585-7 que soporta 2.497 Kg de carga.

Cuarto 3

Para un flujo másico de refrigerante de 1310 Lb/h, con líneas iguales a las de los cuartos 1 y 2 se tiene:

mrefrigerante=1310

Lbh

∗1Kg

2.2 Lb∗1h



+65.617pies∗1min235 pies )=3.12Kg

Luego entonces, para una masa de 1.56 Kg (50% carga total), se escoge el modelo AS-4100-6 que soporta 1.589 Kg de carga.

Cuarto 4

Para un flujo másico de refrigerante de 690 Lb/h, teniendo en cuenta que el refrigerante recorre la línea de succión de 65.617 pies a una velocidad de 1967 fpm, la línea de descarga de 16.404 pies a 1719 fpm y la de líquido de 65.617 pies a 196 fpm, se tiene que:

mrefrigerante=690

Lbh

∗1Kg

2.2 Lb∗1h



+65.617pies∗1min196 pies )=1.97Kg


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Cuarto 5

Para un flujo másico de refrigerante de 760 Lb/h, teniendo en cuenta que el refrigerante recorre la línea de succión de 65.617 pies a una velocidad de 1729 fpm, la línea de descarga de 16.404 pies a 2254 fpm y la de líquido de 65.617 pies a 254 fpm, se tiene que:

mrefrigerante=710

Lbh

∗1Kg

2.2 Lb∗1h



+65.617pies∗1min254 pies )=1.63Kg


Ilustración 31. Catalogo para acumulador de succión [6]

10. Selección de la válvula de bola

Las válvulas de bola se seleccionan de acuerdo al diámetro de la tubería en la que se quiera colocar, se debe considerar al menos una válvula de bola en la línea de gas después del evaporador, la cual corresponde a la línea de succión.

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Cuartos 1,2 y 3

Las líneas de succión tienen tuberías de 1-5/8 pulgadas, para las cuales se requiere una válvula de bola con este tamaño, esta válvula corresponde al modelo BVE/BVS-158 (BVE y BVS sin y con válvula de acceso respectivamente).

Cuarto 4

Las líneas de succión tienen tuberías de 7/8 pulgadas, para las cuales se requiere una válvula de bola modelo BVE/BVS-78.

Cuarto 5

Las líneas de succión tienen tuberías de 1-1/8 pulgadas, para las cuales se requiere una válvula de bola modelo BVE/BVS-118.

Ilustración 32. Catalogo para válvula de Bola [7]

11. Selección de los separadores de aceite

Los cuartos manejan cargas de 4.33 toneladas, el cuarto 4 maneja una carga de 3.25 toneladas y el cuarto 5 maneja una carga de 3,25 toneladas, para las cuales el modelo A-F 58855, que a 4°C (38.2°F) soporta 5.5 toneladas y a -40°C (-40°F) soporta 4 toneladas puede manejar, considerando que -11°F esta en un punto relativamente intermedio (mas del lado de -40°F) y 22 y 32°F son cercanos a 38.2°F, se puede aceptar este modelo, uno para cada cuarto (uno por compresor).

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Ilustración 33. Catalogo separadores de aceite [8]

12. Referencias.

1. Catalogo BOHN para evaporadores2. Catalogo Emerson Climate para válvulas de expansión tipo ton3. Catalogo Emerson Climate para válvulas solenoides4. Catalogo Emerson Climate para filtros deshidratadores5. Catalogo Emerson Climate para mirillas indicadoras de nivel de líquido6. Catalogo Emerson Climate para acumulador de succión7. Catalogo Emerson Climate para válvula de bola8. Catalogo Emerson Climate para separadores de aceite

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